Analyse par chromatographie en phase liquide

2.4.4.1. Principe de la chromatographie en phase liquide

La chromatographie en phase liquide (CPL, en anglais liquid chromatography, LC) est une technique d’analyse qualitative et quantitative très répandue, dans des domaines tels que la pétrochimie, l’environnement, la biologie, l’agroalimentaire (Caude, Jardy, 1994). Elle comprend notamment la chromatographie sur couche mince, la chromatographie en phase liquide haute performance (CLHP ; en anglais high performance liquid chromatography,

HPLC), la chromatographie de partage, d’échange d’ions (CI ; en anglais ion exchange chromatography, IEC ou IC), par perméation de gel ou d’exclusion stérique (en anglais gel permeation chromatography, GPC), chirale, d’affinité ou d’échange de ligands (Caude, Jardy,

1994 ; Cuq, 2007).

Le principe de séparation de l’HPLC est identique à celui de la GC : les solutés à analyser se distribuent entre la phase stationnaire et la phase mobile. Cette fois, la phase mobile est à l’état liquide. La phase mobile peut être un solvant pur ou constituée d’un mélange. Il est possible de faire varier dans le temps sa composition. On parle dans ce cas de mode gradient. Ce mode est adapté au cas où l’échantillon comprend un ensemble de composés ne s’éluant pas à la même vitesse. Si la composition est fixe, on parle de mode isocratique. Le chromatographe est équipé d’un détecteur. Celui-ci permet de visualiser la séparation,

d’améliorer la sélectivité et éventuellement d’identifier les solutés. De nombreux systèmes de détection existent. Les plus répandus sont le spectrophotomètre UV-visible, le détecteur à indice de réfraction (ou réfractomètre différentiel, en anglais refractive index detector, RID) et le spectromètre de masse (Caude, Jardy, 1995).

Un schéma de principe de l’HPLC est présenté sur la Figure 2.8.

Figure 2.8. Schéma de principe de l’HPLC.

La chromatographie d’échange d’ions (CI ; en anglais IC ou IEC) est similaire à l’HPLC. La phase mobile est constituée par un milieu aqueux ionique et la phase stationnaire par un solide permettant l’échange d’ions. L’IEC s’applique donc aux espèces ioniques mais aussi aux molécules organiques et inorganiques polaires. Les mono et polysaccharides, les acides carboxyliques peuvent par exemple être séparés par cette méthode (Rouessac, Rouessac, 2000).

La GPC se base sur la séparation des solutés en fonction de leur taille. Le temps de rétention du soluté est fonction de la taille de sa chaîne (Lesec, 1994). La GPC est principalement appliquée pour déterminer la distribution des masses molaires au sein d’un mélange.

La chromatographie en phase liquide autorise l’analyse de composés non volatils (' 300 °C), plus lourds et non stables thermiquement. Ce sont les principaux avantages de cette technique par rapport à la GC. En revanche, l’efficacité des colonnes est moindre qu’en GC. En outre, l’identification de solutés n’est généralement pas aisée. En HPLC-MS (également appelé LC-MS, LC-HRMS) par exemple, les spectres de masse sont peu reproductibles et ne permettent pas la constitution de bibliothèques de spectres. La chromatographie en phase liquide est donc plutôt adaptée à une analyse ciblée.

Pompe Solvant(s) Injection de l’échantillon Colonne chromatographique Détecteur Solvant(s) usagé(s) Interface

2.4.4.2. Applications de l’HPLC, IEC et GPC

2.4.4.2.1. Applications de l’HPLC

L’HPLC a été peu utilisée pour l’analyse des condensables de torréfaction (Prins, 2005 ; Casajus, 2010). Elle a en revanche été davantage employée pour les huiles de pyrolyse. Elle se révèle appropriée pour l’analyse quantitative des acides, anhydrosaccharides, aldéhydes et cétones (Staš et al., 2014).

Prins (2005) a quantifié l’acide acétique, acide formique, acide lactique, méthanol, furfural, 1-hydroxy-2-propanone et phénol dans les condensables de torréfaction. Ceux-ci sont solubilisés dans le butan-2-ol avant injection en HPLC-RID. La méthode d’identification et les conditions d’analyse chromatographique ne sont pas précisées.

Tessini et al. (2012) ont étudié les aldéhydes de faible masse molaire dans les huiles de pyrolyse. L’analyse consiste en une dérivation préliminaire des aldéhydes sur 2,4-DNPH (dinitrophénylhydrazine) puis injection en HPLC-UV. Cette analyse se révèle néanmoins peu efficace car la réponse est non linéaire, rendant la quantification difficile. La dérivation par PFBHA sur fibre SPME est plus intéressante pour la quantification de ces composés (voir

section 2.4.2.3).

Christensen et al. (2011) s’intéressent aux aldéhydes et cétones présents dans les huiles de pyrolyse. Celles-ci sont distillées à plusieurs températures avant analyse. Les aldéhydes et cétones sont dérivés sur 2,4-DNPH. Les échantillons sont ensuite injectés en HPLC-UV. Des mélanges standards d’aldéhydes et cétones dérivés sur 2,4-DNPH (appelés hydrazones) comportant 18 composés ont été achetés et injectés. L’identification et la quantification sont réalisées par comparaison des temps de rétention. Cette méthode a permis de quantifier le formaldéhyde, acétaldéhyde, acétone, propionaldéhyde, butanone, isovaléraldéhyde ou benzaldéhyde, valéraldéhyde, cyclohexanone, tolualdéhyde, hexaldéhyde, 2,5-diméthylbenzaldéhyde. Contrairement à Tessini et al. (2012), Christensen et al. n’indiquent pas de problème de quantification des aldéhydes.

Undri et al. (2015) analysent des huiles obtenues par pyrolyse par micro-ondes de hêtre, des huiles de pyrolyse d’écorce de bouleau et de lignine Kraft. L’analyse est réalisée par HPLC-MS. Le mode d’ionisation retenu est l’ionisation par électronébulisation positive et négative, la cellule de collision est de type HCD, et l’analyseur de type LTQ-Orbitrap. Cette technique permet l’obtention de plus de 400 masses molaires et formules brutes, de 403 à 97 g.mol-1, de C53 à C6. L’identification de certains composés est proposée à l’aide du logiciel

Xcalibur de Thermo Scientific, à partir du temps de rétention, de la formule brute, de la masse molaire, du nombre de charges, du degré d’insaturation. Le 2,4,6-triméthylbenzaldéhyde et le

triméthoxybenzène sont des identifications proposées et font partie des espèces majeures en termes d’aires obtenues par cette technique.

2.4.4.2.2. Application de l’IEC

Choi et al. (2014) ont analysé les acides présents dans des huiles de pyrolyse de chêne rouge. La technique choisie est la chromatographie par échange d’ions (IEC) couplé à un détecteur de conductivité. Les acides sont l’acide formique, acétique, propanoïque et glycolique. Ils ont été identifiés et quantifiés par l’injection de standards. D’après les auteurs, la quantification des acides carboxyliques est plus pertinente en IEC qu’en GC, car ils seraient instables et les pics seraient plus fins. Si l’acide glycolique n’est effectivement pas analysable en GC car instable thermiquement, la majorité des auteurs quantifie les acides formique, acétique et propanoïque en GC. Quoiqu’il en soit, d’après Choi et al., ces acides représentent en moyenne 8 % m/m des huiles de pyrolyse de chêne rouge.

2.4.4.2.3. Application de la GPC

Enfin, la chromatographie par perméation de gel (GPC) permet de déterminer la distribution de masses molaires au sein d’un mélange. Cette technique est couramment utilisée pour la caractérisation des huiles de pyrolyse et de la lignine pyrolytique (Kanaujia et al., 2013 ; Staš et al., 2014). Généralement, le tétrahydrofurane est utilisé comme solvant, et le polystyrène comme standard. Cette technique a permis de déterminer une gamme de masses molaires de 100 à 2000 g.mol-1 dans les huiles de pyrolyse (Garcia-Perez et al., 2007).