FR2496891A1 - Methode et appareil d'analyse d'especes ioniques utilisant un milieu de separation chromatographique - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE L'ANALYSE D'ESPECES IONIQUES AU MOYEN D'UN MILIEU DE SEPARATION CHROMATOGRAPHIQUE. L'INVENTION CONCERNE PLUS PARTICULIEREMENT UNE METHODE ET UN APPAREIL DE SEPARATION CHROMATOGRAPHIQUE ET D'ANALYSE QUANTITATIVE D'IONS DE MEME CHARGE, DANS UN ECHANTILLON, PAR EXEMPLE DES CATIONS OU DES ANIONS. L'APPAREIL COMPREND UN RESERVOIR A ELUANT 11, UNE POMPE 12, UNE VANNE 10 D'INJECTION DE L'ECHANTILLON E, UNE COLONNE DE SEPARATION CHROMATOGRAPHIQUE 13, UNE COLONNE DE SUPPRESSION 14, UNE CELLULE A CONDUCTIVITE 15, UN APPAREIL 16 DE MESURE DE LA CONDUCTIVITE ET UN ENREGISTREUR. APPLICATION A L'ANALYSE QUANTITATIVE DE TOUTES SORTES D'ANIONS ET DE CATIONS INORGANIQUES ET ORGANIQUES.

Description

1. La présente invention a trait à l'analyse quantitative de différents

anions ou cations dans un même système. La chromatographie liquide en phase inversée (CLPI)

est très utilisée comme mode de séparation dans la chromato-

graphie liquide à haute performance (CLHP). Dans la CLPI, la phase mobile est plus polaire que la phase stationnaire, l'inverse étant vrai dans la chromatographie classique mise en oeuvre antérieurement à l'avènement de la CLPI. Des chaînes hydrocarbonées en liaison chimique (groupes alkyle) attachées à des substrats de silice constituent une forme commune de phase stationnaire. Le mode de formation de ces phases stationnaires et des techniques convenables de mise en oeuvre

de la CLPI sont bien connus et on en trouve la description par

exemple dans N.H.C. Cooke et K. Olsen, Am. Lab., 45 (août

1979). Une technique de CLPI a acquis une popularité suffi-

sante pour qu'on l'appelle chromatographie à paire d'ions à phase inversée. Dans cette technique, un sel est ajouté à la

phase mobile pour améliorer les propriétés chromatogra-

phiques. Bien qu'il y ait une certaine contradiction dans la théorie de séparation, les techniques expérimentales décrites

dans cet article sont couramment utilisées. Plus particuliè-

rement, l'échantillon est conduit dans une phase aqueuse mobile polaire, renfermant ordinairement un alcool inférieur, de l'acétonitrile ou un autre solvant organique miscible à l'eau, conjointement avec un ion complémentaire, normalement l'ion tétrabutylammonium (TBA), en vue de l'analyse d'un anion. Selon une théorie, il est formé des paires d'ions hydrophobes qui sont relativement non polaires et que la colonne retarde donc différemment. Dans une autre théorie, l'ion complémentaire, par exemple TBA, est adsorbé à la surface pour former un site d'échange ionique réversible sur

la phase stationnaire. Cette technique est utilisée principa-

lement pour la séparation chromatographique et l'analyse

d'acides et de bases organiques. Cette technique a généra-

lement été utilisée avec les détecteurs usuels de CLHP par exemple du type ultraviolet, du type à fluorescence et du type basé sur l'indice de réfraction (IR). Toutefois, ces techniques classiques de détection ne conviennent pas à

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2. l'analyse de substances organiques séparées par CLPI. De même, pour des molécules organiques non chromophores à faible PKa ou

pKb, telles que des surfactants, ces détecteurs sont relati-

vement insensibles.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 042 327 a fait connaître une technique de chromatographie à paire d'ions à phase inversée qui utilise un remplissage à phase liée. Les substances à analyser sont généralement limitées à des composés organiques. Le remplissage est instable à des valeurs de pH élevées et basses, ce qui limite l'intérêt dans l'analyse,

respectivement, des anions et des cations inorganiques.

Un article récent publié par F.F. Cantwell et S. Puoh dans Anal. Chem., 51, n0 6 (mai 1977), 623, a suggéré l'utilisation d'une résine non ionique à pores macroscopiques (copolymère de styrène et de divinylbenzène vendu sous la

marque commerciale "Amberlite XAD-2") comme phase station-

naire pour la chromatographie liquide à phase inversée. Un avantage important d'une telle résine réside dans sa stabilité dans les plages extrêmes de pH, en contraste avec une phase stationnaire à base de silice. Toutefois, les techniques

courantes de détection telles que celles qui sont décrites ci-

dessus présentent les mêmes défauts.

Un autre système chromatographique connu pour la

chromatographie des ions a été utilisé dans le dosage quanti-

tatif d'anions et/ou de cations organiques et/ou inorganiques dans des solutions aqueuses d'échantillons. Dans cette technique, la séparation chromatographique est effectuée sur une ou plusieurs colonnes de résine de séparation par échange d'ions à faible capacité. L'éluant est ensuite envoyé à une colonne de suppression à résine d'échange ionique de grande capacité qui fait passer l'éluant d'une forme conductrice à une forme non conductrice en réduisant ainsi la conductivité de base du système chromatographique. Les ions à analyser sont élués de la colonne de suppression et forment des espèces très conductrices qui passent dans une cellule à conductivité et

qui sont dosées quantitativement sur la base de la conduc-

tivité. Cette technique convient bien à l'élution d'espèces ioniques de la colonne de suppression sous une forme qui a une 3. constante de dissociation supérieure à 10-7. Des molécules ayant des constantes de dissociation inférieures à cette valeur ne peuvent pas être détectées par conductivité à des

niveaux chromatographiques de concentration.

Un facteur limitant la chromatographie des ions réside dans le fait que la résine de séparation doit être une résine du type présentant des sites classiques d'échange ionique permanents. Cela fixe sensiblement à la fois la capacité d'échange ionique et la sélectivité de la colonne de séparation, attendu que les groupes d'échange ionique sont chimiquement liés à la résine servant de substrat. Ainsi, pour une colonne et une résine données, une modification de la résolution chromatographique nécessiterait une modification chimique de la résine, par exemple par changement des groupes d'échange ionique par remplacement par une résine de type différent, opération longue et coûteuse. La capacité de la résine de séparation doit être faible de manière que des éluants à force ionique relativement faible puissent être utilisés pour maximiser les durées de vie des colonnes de suppression. La résolution d'espèces ioniques fortement ionisées, conformément à cette technique, est exposée par

exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 920 397.

L'un des buts de la présente invention est de réunir les meilleures particularités des techniques connues mentionnées ci-dessus de (1) la chromatographie à paire d'ions à phase inversée avec (2) la chromatographie des ions. Plus particulièrement, les espèces ioniques à séparer sont envoyées dans une phase mobile à une première colonne de séparation comprenant une couche chromatographique hydrophobe poreuse ne présentant essentiellement aucun site d'échange ionique fixé en permanence et ayant une grande surface spécifique. Une couche chromatographique appréciée est formée d'une résine organique. La phase mobile comprend également un composé formant des sites d'échange ionique avec un ion complémentaire

qui s'adsorbe de façon réversible sur le substrat chromato-

graphique en créant des sites d'échange ionique et en produisant un retardement différentiel des espèces ioniques et leur résolution chromatographique dans l'éluant sortant du

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4.

lit. L'éluant renferme aussi des co-ions des ions complémen-

taires. L'éluant est ensuite envoyé sur une colonne de suppression comprenant une résine d'échange ionique du type qui interdit sensiblement le passage des ions complémentaires et des co-ions en excès sous la forme ionique. Finalement, l'éluant est envoyé à une cellule de conductivité comprenant

une combinaison de moyens de lecture pour détecter quantita-

tivement l'espèce ionique résolue. La phase mobile renferme de préférence un composé polaire organique sensiblement non ionique et un ion inorganique de développement, tous deux pouvant être utilisés pour ajuster la sélectivité de la

colonne envers une séparation optimale des ions à analyser.

Un autre aspect de l'invention gravite autour d'un mécanisme théorique différent. Au lieu de l'ion complémentaire d'un composé formant un site adsorbé réversible d'échange ionique comme indiqué ci-dessus, l'ion complémentaire et l'espèce ionique forment des paires d'ions réversibles qui sont adsorbées réversiblement sur le lit chromatographique en

vue du retardement différentiel et de la résolution chromato-

graphique. Les espèces résolues sont ensuite envoyées à la colonne de suppression et à la cellule de conductivité comme indiqué ci-dessus. Cette théorie explique mieux la séparation - de molécules organiques à longue chaîne telles que des surfactants qui forment les principales liaisons d'adsorption des paires d'ions. En fait, des ions complémentaires inorganiques sont avantageux à utiliser dans l'analyse de ces espèces ioniques organiques pour permettre la désorption de la

colonne en une période raisonnable.

Un autre but de l'invention est de trouver une technique qui allie les meilleures caractéristiques de la chromatographie des paires d'ions à phase inversée et de la

chromatographie des ions.

Un but particulier de l'invention est de trouver une technique de chromatographie des ions dans laquelle on

peut faire varier les paramètres de -sélectivité chromato-

graphique et de capacité chromatographique par de simples variations de la composition et de la concentration de l'éluant. 5. Un but particulier de l'invention est de combiner cette technologie supérieure de séparation chromatographique avec le système supérieur de détection de la chromatographie des ions, pour faciliter la détection très sélective et sensible et le dosage quantitatif d'ions ayant de faibles

valeurs de pKa ou de pKb.

Un autre but de l'invention est d'optimiser la séparation ionique dans une large plage de sélectivités par de telles variations de l'éluant sans usure rapide de la colonne

de suppression.

Un autre but de l'invention est de trouver une technique de séparation et de détection de grands ions

organiques, qui sont difficiles à accomplir par chromato-

graphie classique des ions et pour lesquelles les limites de détection de la chromatographie classique des paires d'ions à phase inversée utilisant la détection par les rayons

ultraviolets ou par l'indice de réfraction ne conviennent pas.

Un but particulier d'une forme de réalisation de l'invention est d'utiliser une résine chromatographique hydrophobe poreuse comme phase stationnaire qui est stable à des niveaux extrêmement hauts de pH et qui est donc capable de supporter une opération chromatographique prolongée sur des

anions inorganiques sans détérioration.

D'autres caractéristiques et avantages de la

présente invention ressortiront de la description détaillée

qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil simplifié conforme à la présente invention; et - les figures 2 à 6 sont des chromatogrammes illustrant la séparation de différents ions conformément à la technique de l'invention. Le système de la présente invention a une grande souplesse d'utilisation, attendu qu'on peut l'utiliser pour déterminer un grand nombre d'espèces ioniques organiques et/ou inorganiques fortes et/ou faibles du moment que les espèces à déterminer sont seulement cationiques ou anioniques. Ces

espèces ioniques sont normalement associées à des ions complé-

6. mentaires, mais seules les espèces ioniques de charge courante peuvent être déterminées par la méthode de l'invention. Des échantillons convenables comprennent des eaux superficielles, y compris une eau salée, ainsi que d'autres liquides tels que des courants résiduaires de l'industrie chimique, des liquides corporels tels que sérum et urine, des boissons telles que des jus de fruits et des vins, ainsi que l'eau potable. Des composés moléculaires covalents, tels que des amines, qui peuvent être convertis à la forme ionique, par exemple par formation de sels d'acides, peuvent aussi être analysés conformément à la présente invention. L'expression "espèce ionique" utilisée dans le présent mémoire désigne une substance sous la forme ionique et des composants de molécules qui sont ionisables dans les conditions du procédé de

l'invention.

La figure 1 des dessins annexés illustre une forme simplifiée d'un appareil pour la mise en oeuvre de la méthode de la présente invention. Un échantillon E est introduit dans le circuit d'une manière convenable à l'aide d'une seringue

(non représentée) au niveau d'une vanne d'injection d'échan-

tillon 10. L'échantillon E est transporté dans le circuit par l'éluant soutiré dans le réservoir 11 par une pompe 12 et il

arrive ensuite dans la colonne 13 de séparation chromato-

graphique du type qui sera décrit ci-après. L'éluant sortant de la colonne 13 passe sur une colonne de suppression 14 dans laquelle des ions de charge opposée aux ions à analyser sont

sensiblement privrés de passage sous la forme ionique.

Normalement, cela a lieu par élimination des ions en question.

Ensuite, l'éluant contenant l'espèce ionique ionisée est envoyé

par un conduit à liquide dans la cellule 15 de conductivité.

Le signal électrique émis au niveau de la cellule 15, dans laquelle la fluctuation de la concentration ionique produit un signal électrique proportionnel à la quantité de matière ionique enregistrée par l'appareil 16 de mesure de conductivité, est envoyé à un enregistreur 17 qui affiche la valeur du signal sortant de la cellule de conductivité 15. Après son passage dans la cellule de conductivité, le liquide est évacué en W. 7. Le mode de séparation dans la colonne 13 peut être expliqué par deux mécanismes théoriques différents appelés, dans le présent mémoire, "théorie des paires d'ions" et théorie de l'échange ionique réversible". Quelle que soit la théorie qui prévaut, le système utilise une phase mobile de caractère plus polaire que la phase stationnaire, qui transporte un ion complémentaire capable d'interaction avec l'espèce ionique à analyser. Ce type de système est couramment appelé "procédé à phase inversée". Au début des travaux portant sur la phase inversée, la théorie des paires d'ions (telle qu'elle a été exposée dans l'article de Cooke et Olsen ci-dessus) a été supposée être applicable, tandis que certains articles récents penchent en faveur de l'autre théorie qui sera définie plus en détail dans ce qui suit. Il y a lieu de remarquer que la présente invention est applicable à l'une ou l'autre de ces théories ou à toutes les deux, parce que c'est l'utilisation conjointe du procédé à phase inversée pour la séparation chromatographique et de la technique de chromatographie des ions pour le dosage quantitatif des espèces ioniques séparées qui

constitue l'un des aspects dominants de la présente invention.

La méthode de l'invention sera tout d'abord décrite conformément à la théorie de séparation par échange

réversible des ions. Pour la simplicité de la description-, on

choisira tout d'abord des anions inorganiques comme espèces ioniques contenues dans l'échantillon à séparer et à doser quantitativement dans le système. L'éluant contenu dans le réservoir 11 qui forme la phase mobile pour l'échantillon comprend un composé formant des sites d'échange ionique. Ce composé est formé d'un ion complémentaire de charge opposée à celle de l'espèce ionique et un co-ion de même charge que l'espèce ionique. (Dans ce contexte, l'expression "ion complémentaire" utilisée seule désigne l'ion complémentaire mentionné en dernier lieu et le terme "co-ion" utilisé

individuellement désigne le co-ion de cet ion complémentaire).

Un lit chromatographique hydrophobe poreux ne portant essentiellement aucun site d'échange ionique en liaison permanente est contenu dans la colonne de séparation 13. Cela permet de le distinguer d'une résine classique d'échange

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8. ionique dans laquelle les sites d'échange d'ions sont fixés de façon permanente par liaison de covalence avec le substrat de résine. Conformément à la théorie d'échange ionique réversible, l'ion complémentaire est un ion du type qui forme des liaisons réversibles par adsorption in situ dans le lit

chromatographique pour y créer des sites d'échange ionique.

Les espèces ioniques sont, de cette manière, retardées différemment par les sites d'échange ionique ainsi formés et leur résolution chromatographique est effectuée dans l'éluant sortant du lit. Les anions inorganiques auxquels la technique de l'invention est applicable comprennent essentiellement tous les types d'espèces anioniques allant de faiblement à fortement retenues sur le lit chromatographique. Par exemple, on peut séparer les anions suivants: ions fluorure, chlorure, nitrite, nitrate, -chlorate, perchlorate, bromure, bromate,

iodure, iodate, sulfate, thiosulfate, persulfate, pyro-

sulfate, phosphate, pyrophosphate, azoture, cyanure,

ferricyanure et thiocyanate.

Antérieurement à la présente invention, on n'avait pas imaginé que des anions ou des cations inorganiques puissent être séparés par chromatographie au moyen de l'un ou

l'autre des deux mécanismes théoriques exposés ci-dessus.

On peut utiliser diverses phases stationnaires de séparation chromatographique à phase inversée, par exemple les phases du type illustré dans l'article précité de Cooke et Olsen. Un type efficace de lit chromatographique utilisé pour la phase stationnaire comprend des chaînes hydrocarbonées liées à un substrat. Ces chaînes ont normalement une longueur de 8 à 18 atomes de carbone. Ces phases alkyliques en liaison chimique sont habituellement produites par la réaction de

silanols de la silice en surface avec des organochlorosilanes.

On peut faire varier le type de chaîne selon les espèces ioniques intéressantes. Du point de vue fonctionnel, le lit offre des surfaces à chaînes organiques uniformes, si bien que l'ion complémentaire est aisément absorbé à la surface d'une

manière uniformément reproductible.

9. Un exemple représentatif de gel de silice poreux à phase liée de remplissage est une silice ayant réagi avec une

matière organique de manière qu'elle porte un groupe alipha-

tique à chaîne de 18 atomes de carbone. Une garniture de ce genre est vendue par la firme Waters Associates, Inc., sous la désignation commerciale de "Bondapak C18"* D'autres résines convenables sont fournies par les firmes Altex Corporation et Merck and Co., Inc. Une phase stationnaire particulièrement efficace est une résine organique hydrophobe poreuse non ionique ne présentant essentiellement pas de site d'échange ionique. Une telle résine est un copolymère de styrène et de divinylbenzène vendue sous la désignation commerciale "Amberlite XAD-2" ayant une surface spécifique d'environ 300 m2/g. De telles résines

sont stables aux extrêmes de pH, par exemple 1-14, compara-

tivement aux garnitures à phase liée décrites ci-dessus, qui

sont moins stables aux extrêmes de pH.

Des résines organiques poreuses hydrophobes non ioniques classiques peuvent être utilisées pour la séparation de la présente invention si elles ont une surface spécifique et un caractère hydrophobe suffisants. Une surface spécifique minimale convenable va d'environ 10 à 100 m2/g à un maximum de 1000 m2/g ou plus, une plage préférée allant d'un minimum de à 300 m2/g à une valeur de 600 m2/g. Des diamètres représentatifs des pores se situent dans une plage de 3 à 10 ou 20 nm ou davantage. Ces résines poreuses sont généralement formées par l'utilisation de porogènes ou d'agents dits précipitants. Des résines convenables et leurs procédés de préparation sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 531 463 et n0 3 549 563. La méthode de détermination de la surface spécifique est la méthode porosimétrique au mercure décrite dans "Advanced Experimental Techniques in Powder Metallurgy", volume 5, Plenum Press

(1970).

Une caractéristique importante du lit chromato-

graphique réside dans le fait que, par suite de sa grande surface spécifique, il a une capacité d'autant plus grande de formation de sites réversibles d'échange ionique avec les ions 249 9 10. complémentaires. Cette grande capacité offre l'avantage de minimiser la quantité désirée de garnitures de remplissage. Il est bien connu que la capacité d'adsorption d'une garniture chromatographique est proportionnelle à la surface spécifique de cette garniture. Une autre caractéristique de la garniture de remplissage réside dans le fait qu'elle est suffisamment hydrophobe pour que l'ion complémentaire organique soit fixé par sorption à la surface de la résine et soit retenu chromatographiquement par cette dernière. Un caractère hydrophobe convenable est comparable à un copolymère de styrène et de divinylbenzène. Autrement exprimées, les garnitures que l'on apprécie sont des résines réticulées ayant des paramètres de solubilité (exprimés en unités Calories Vcentimètre cube

d'au moins 7,5 à 15, normalement d'environ 9.

En ce qui concerne l'analyse anionique, des composés convenables de formation de sites d'échange ionique comprennent les suivants: hydroxyde de tétrabutylammonium, hydroxydes de mono-, di-, tri-et tétraalkylammonium. Les ions complémentaires pour l'analyse d'anions inorganiques doivent être de charge opposée à celle des anions et doivent être capables de former des liaisons réversibles par adsorption avec le lit chromatographique. Cela signifie que ces ions complémentaires doivent comporter des chaînes organiques, notamment des chaînes alkyliques, d'une longueur suffisante en vue d'une adsorption aisée sur la colonne, pour être trop difficiles à éliminer en une période raisonnable. Un autre paramètre du composé formant des sites d'échange ionique de la présente invention réside dans le fait qu'il doit pouvoir se trouver dans la quasiimpossibilité de passer sur la colonne de suppression 14 sous la forme ionique. Comme on l'explique ci-après, si l'ion intéressant est un anion, la colonne de suppression comprend une résine d'échange cationique et l'ion complémentaire est un ion du type qui est éliminé par la colonne 14. Le co-ion de l'ion complémentaire passe sur la 1 1.

colonne, mais sous une forme sensiblement non ionisée. Ces co-

ions comprennent les ions carbonate, borate et hydroxyde, qui forment tous des acides faiblement ionisés ou de l'eau dans la colonne de suppression. Toutefois, pour les cas o de la silice constitue le lit chromatographique, un hydroxyde a un intérêt limité à cause de la dissolution de la silice à des pH élevés. Le degré d'absorption de l'ion complémentaire détermine la capacité de la colonne qui peut être adaptée au temps désiré de rétention pour un échantillon particulier, par le réglage de la quantité de liquide organique polaire. Par exemple, il a été déterminé expérimentalement que le degré d'absorption de l'hydroxyde de tétrabutylammonium (TBAH) croît notablement à mesure que la teneur en liquide organique polaire (par exemple en acétonitrile) diminue. L'ordre de grandeur de l'adsorption de TBAH est relativement faible (par exemple 0,023 milli-équivalent/millilitre pour un éluant à % d'eau) comparativement à la capacité d'échange d'une

résine d'échange ionique (par exemple 0,5 à 1,5 milli-

équivalent/millilitre). Par conséquent, la capacité d'une

colonne à phase inversée suivant ce mode est limitée.

Normalement, la capacité d'un système renfermant l'hydroxyde TBAH 0,004 M est limitée à environ 2-4 microgrammes de chaque

composant ionique par injection.

Pour l'analyse de cations, le composé formant des sites d'échange ionique doit être du type d'un composé formé d'un ion complémentaire et d'un coion qui sont capables de se trouver dans la quasi-impossibilité de passer sur la colonne de suppression chargée de résine d'échange anionique maintenue sous la forme hydroxyde. Des ions complémentaires qui

conviennent à cette fin comprennent les ions acide lauryl-

sulfurique, acide (alkyle en C1 à C20)-sulfurique ou acide alkylsulfonique. Les ions complémentaires sont retenus sur la colonne tandis que le co-ion, qui est l'hydrogène, est éliminé de la colonne de suppression 14 sous la forme de molécules d'eau. La phase mobile comprend l'échantillon et l'ion complémentaire dans un liquide aqueux polaire. La nature 12. polaire du liquide facilite l'ionisation et la dissolution des

composants ioniques du système dans la phase mobile.

Un autre composant apprécié de la phase mobile est un composé organique polaire sensiblement non ionique utilisé en une quantité apte à réduire sélectivement d'une manière réglée le retardement des espèces ioniques dans le lit. Ce composé polaire organique est essentiellement non ionique, de manière à ne pas interférer avec la mesure de conductivité des ions. D'une part, le composé organique sert de force mobile d'attraction pour les ions complémentaires et, par conséquent, les espèces ioniques intéressantes de manière à établir un équilibre qui élimine ces ions de la colonne chromatographique et les transfère sélectivement dans la phase mobile en vue de leur séparation. D'autre part, le liquide organique polaire se dispute les sites disponibles de liaison par adsorption sur la phase stationnaire avec l'ion complémentaire organique de manière à réduire la capacité de cette phase. Dans les deux cas, une concentration élevée de ce composé organique polaire réduit le temps de rétention. Des composés organiques polaires convenables comprennent des alcools inférieurs tels que le méthanol et l'éthanol, l'acétonitrile ou tout solvant

organique miscible à l'eau.

On peut faire varier dans une mesure importante la concentration et le type du composé organique polaire pour modifier le temps désiré de rétention, selon l'espèce ionique à analyser. Des concentrations convenables de ce liquide

organique polaire peuvent aller de 0 à 100 %, les concen-

trations les plus hautes étant utilisées pour les ions complémentaires le plus fortement retenus. A la limite supérieure, il peut y avoir des problèmes de solubilité des ions intéressants et, en conséquence, il est préférable

d'inclure de l'eau dans la phase mobile.

Un autre composant de la phase liquide mobile est un réactif révélateur qui comprend un ion révélateur inorganique de même charge que l'espèce ionique. Cet ion est inclus en une quantité apte à réduire sélectivement le temps

de retardement de l'espèce ionique dans le lit chromato-

graphique. L'ion révélateur et son co-ion (appelé ci-après co-

13. ion de l'ion révélateur) doivent être choisis de manière qu'il leur soit quasi impossible de passer sur la colonne 14 de suppression. Des ions révélateurs convenables comprennent des ions borate et carbonate. Ces deux types d'ions sont convertis par une colonne de suppression sous la forme de l'ion hydrogène en leurs acides respectifs qui ne sont que faiblement ionisés et qui, de ce fait, n'interfèrent pas

sensiblement par contamination de la cellule de conductivité.

De même, le co-ion de l'ion révélateur est éliminé par la colonne ou est sous la forme de l'ion hydrogène, qui représente la forme désirée d'espèce ionique en vue de la

détection dans la cellule de conductivité.

Les mêmes principes s'appliquent à l'analyse des cations. Dans ce cas, des réactifs révélateurs convenables comprennent l'un quelconque de divers acides minéraux dont les anions sont retenus par la colonne 14 de suppression pour

former de l'eau.

Le réactif révélateur joue un rôle semblable à celui des réactifsrévélateurs utilisés dans une séparation classique par échange ionique dans laquelle les sites d'échange ionique sont en liaison permanente avec le substrat de résine. En fait, les réactifs révélateurs engendrent une force d'équilibrage qui déplace ainsi l'espèce ionique intéressante de la phase stationnaire et raccourcit par

conséquent le temps de rétention.

Le niveau de pH de la solution sortante constitue

un autre paramètre qui peut affecter la séparation chroma-

tographique dans cette technique et qui peut être adapté à l'espèce ionique intéressante. La résine poreuse de l'invention est stable aux niveaux extrêmes de pH. Comme pour le liquide organique polaire, on peut faire varier le type et la concentration du réactif révélateur en fonction du temps désiré de rétention. Toutefois, aux concentrations élevées, la colonne de suppression peut être rapidement épuisée. Bien que le réactif révélateur soit en général plus utile pour modifier la sélectivité et la capacité du lit de séparation que le liquide organique polaire, sa nature et sa concentration doivent être considérées avec soin pour éviter un épuisement

excessif de la résine de suppression.

14. Il ressort de ce qui précède que l'un des avantages importants du système réside dans l'aptitude à faire varier le réactif révélateur, le liquide organique polaire et l'ion complémentaire pour accorder la résolution du système selon l'espèce ionique particulière qui doit être analysée. La colonne de suppression 14 est analogue par sa fonction à la colonne d'épuisement 11 de la figure 1 du brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 920 297 qui concerne la chromatographie des ions. Les principes du fonctionnement de

cette colonne, sa description détaillée et ses -caracté-

ristiques relatives et fonctionnelles comparativement à la colonne de séparation sont cités en référence. En ce qui concerne le système de l'invention, la colonne 14 a une

capacité d'échange ionique spécifique relativement grande.

Cela est d au fait que la principale fonction de cette colonne de suppression est d'interdire le passage du réactif révélateur et du composé formant les sites d'échange ionique sous la forme fortement ionisée tout en permettant le-passage de l'espèce ionique séparée sur la colonne de séparation 13 sans interruption notable. Des exemples convenables de résines d'échange ionique pour l'analyse d'anions sont le polystyrène ou un polystyrène modifié, réticulé avec du divinylbenzène portant des groupes nucléaires, ces derniers offrant des sites réactifs d'échange. Les résines échangeuses de- cations forts portent ordinairement des groupes acide sulfonique ou sulfonate nucléaires sur les chaînes polymériques, tandis que les résines échangeuses de cations faibles portent des groupes carboxylate. Les résines échangeuses d'anions fortement basiques portent des groupes chlorométhyle nucléaires qui ont été quaternisés. Les résines d'échange de base faible portent des groupes amino primaires, secondaires ou tertiaires nucléaires. La nature de la résine qui se trouve dans la colonne de suppression 14 est déterminée par le composé formant des sites d'échange des ions et par le réactif révélateur devant être supprimés. Pour l'analyse d'anions, une résine convenable es-t un polystyrène fortement réticulé 15. portant des groupes sulfoniques, sous la forme de l'ion hydrogène. La forte réticulation assure que l'échange ionique s'effectue de préférence à une pénétration chromatographique dans la résine. L'ion complémentaire et le co-ion de l'ion révélateur sont modifiés par échange ionique dans le suppresseur en formant des produits qui sont élues de la colonne sous une forme moléculaire sensiblement non ionisée et qui, de ce fait, n'interfèrent pas avec la détection dans la

cellule de conductivité.

L'effluent de la colonne de suppression 14 est envoyé dans la cellule de conductivité 15, puis est évacué. Le signal électrique sortant de la cellule de conductivité est envoyé à l'appareil 16 de mesure de conductivité et la sortie

est transférée à l'enregistreur 17.

Le mécanisme de séparation est modifié selon la nature de l'espèce ionique à analyser. Plus particulièrement, à mesure que l'espèce ionique contenue dans l'échantillon acquiert une nature plus hydrophobe (organique), le mécanisme prédominant semble devenir un mécanisme d'adsorption compétitif entre cette espèce ionique et l'ion complémentaire dans l'éluant à la surface de la phase stationnaire se trouvant dans la colonne 13. Par exemple, des chaînes alkyliques de longueur croissante dans l'espèce ionique (par exemple des surfactants) entreprennent cette compétition. Il en résulte une rétention bien trop longue et une mauvaise résolution. On peut pallier cet inconvénient en remplaçant les

ions complémentaires par un ion inorganique plus hydrophile.

En général, à mesure que les espèces ioniques à analyser

deviennent plus hydrophobes, il est préférable d'utiliser des.

ions complémentaires qui sont moins hydrophobes pour optimiser la résolution chromatographique de ces espèces ioniques. Par

exemple, l'ion ammonium peut être utilisé comme ion complé-

mentaire pour l'analyse de surfactants anioniques, tandis que l'ion perchlorate peut être utilisé comme ion complémentaire pour des séparations de surfactants cationiques. La colonne de suppression est encore essentielle à la réduction de' la

conductivité propre des ions complémentaires.

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16. Pour l'analyse de ces espèces ioniques très hydrophobes, le mécanisme des ions appariés a plus tendance à prédominer. Dans ce cas, plutôt que de former des sites réversibles d'échange ionique, l'ion complémentaire et l'espèce ionique forment des paires d'ions réversibles qui, à leur tour, forment des liaisons réversibles d'adsorption avec le lit chromatographique en vue du retardement différentiel de l'espèce ionique sur le lit. On suppose qu'il s'agit là d'un facteur dominant dans la résolution chromatographique des

espèces ioniques.

On insiste sur le fait que le choix des ions complémentaires affecte grandement le degré d'adsorption des

paires d'ions sur la phase stationnaire. Plus particu-

lièrement, l'ion complémentaire et, par conséquent, la paire d'ions sont d'autant plus solidement retenus que cet ion complémentaire est plus fortement organique, c'est-à-dire que la chaîne carbonée de la molécule est plus longue. Par conséquent, pour des espèces ioniques inorganiques, il est

préférable d'utiliser des composés donnant un ion complé-

mentaire très organique, c'est-à-dire d'une longueur de 1 à

atomes de carbone. Inversement, comme on l'exposera ci-

après, pour des espèces ioniques fortement organiques telles que des surfactants, il est préférable d'utiliser des composés inorganiques pour l'ion complémentaire, de manière à éviter

des temps excessifs de rétention.

Les étapes conduites après la séparation conformément à la théorie des ions appariés dans le procédé de

l'invention sont les mêmes que celles qui sont décrites ci-

dessus à propos de la théorie de l'échange ionique réversible.

En fait, après la séparation chromatographique, on fait passer l'éluant sur la colonne de suppression 14, puis dans la cellule de conductivité 15 en vue de la mesure de conductivité effectuée par l'appareil 16 et de l'affichage sur

l'enregistreur 17.

La présente invention présente l'avantage particulier d'offrir une technique d'analyse de surfactants anioniques. Tandis que les techniques de spectroscopie infrarouge et de résonance magnétique nucléaire donnent une 17. certaine information concernant des surfactants anioniques,

elles ont une valeur limitée pour ce qui est de la détermi-

nation de la distribution des dimensions et du poids moléculaire. De même, la chromatographie des ions n'est pas capable d'analyser des surfactants organiques. Un autre avantage de l'invention réside dans là découverte du fait que la chromatographie des paires d'ions (ou la chromatographie par échange ionique réversible) est

efficace pour des anions ou des cations inorganiques.

Un avantage d'une importance générale du système ci-dessus (selon le mode d'échange ionique réversible ou le mode des ions appariés) est l'aptitude à modifier la capacité de la colonne de séparation (nombre d'ions complémentaires adsorbés à la surface de la colonne) et la sélectivité (rétention relative des espèces ioniques retenues par ces ions complémentaires sur la colonne) par la variation de la concentration et de la nature de l'ion complémentaire, du réactif révélateur et du liquide organique polaire conformément au type de l'échantillon à analyser. Le système a une telle souplesse que la même phase stationnaire de séparation peut être transformée pour analyser des cations ou

pour analyser des anions.

L'éluant peut être fixé pour toute l'opération. En variante, le système est particulièrement bien adapté à l'utilisation d'une variation continue des concentrations des réactifs, que l'on appelle couramment "système à gradient". En variante, on peut aussi choisir des variations discontinues de

la concentration.

Une autre particularité de l'invention réside dans la stabilité de la résine organique décrite. Elle se prête à une utilisation à long terme sans se détériorer dans l'analyse d'anions. De même, les co-ions pour l'analyse d'anions peuvent être des anions forts tels que des anions hydroxyde qui sont aisément supprimés dans une colonne de suppression, ce qui est essentiel à la détection de la conductivité. Cela est en contraste avec les co-ions ordinairement utilisés dans une garniture à phase liée qui ne

pourraient pas être supprimés.

18. L'invention est illustrée par les exemples

suivants, donnés à titre non limitatif.

EXEMPLE 1

Cet exemple illustre la séparation d'anions inorganiques multiples au moyen d'une garniture de résine organique chromatographique poreuse. Une colonne en acier inoxydable de 4 mm x 250 mm garnie d'une résine poreuse ressemblant à la résine Amberlite "XAD-2" mais ayant une surface spécifique de 400 m2/g est équilibrée avec un éluant formé d'hydroxyde de tétrabutylammonium 0,002 M et de carbonate de sodium 0,002 M dissous dans un mélange d'acétonitrile et d'eau à 15/85 (volume à volume). La vitesse d'écoulement est égale à 1,5 ml/minute. Après l'équilibrage, l'effluent de cette colonne est transférée dans une colonne de 4 mm x 250 mm de résine d'échange cationique vendue sous le nom commercial "Dowex 50WX-16" sous la forme hydrogène, puis envoyée à un détecteur de conductivité de la firme Dionex Corp. On injecte pl d'une solution contenant 3 ppm d'ions F-, 4 ppm d'ions Cl0, 10 ppm d'ions NO2, 50 ppm d'ions PO4, 10 ppm d'ions Br, ppm d'ions NO3 et 50 ppm d'ions SO4 La figure 2 des dessins annexés montre que les sept anions sont tous séparés

en moins de 12 minutes.

EXEMPLE 2

Cet exemple illustre la séparation d'un sulfate inorganique et de surfactants organiques anioniques. Une colonne en acier inoxydable de 4 mm x 250 mm est garnie d'un

autre lot de la résine de l'exemple 1. La colonne est équi-

librée à une vitesse d'écoulement de 0,5 ml/min avec un éluant composé d'hydroxyde d'ammonium 0,01 M dans un mélange d'acétonitrile et d'eau à 38/62 (volume à volume). Après l'équilibrage, l'effluent de cette colonne est envoyé à une colonne de 4 mm x 100 mm d'une résine d'échange cationique, qui est une résine sulfonée (diamètre 11 + 1 pm) sous la forme hydrogène vendue par la firme Dionex Corporation sous la marque déposée "DC6A", puis transféré à un détecteur de conductivité. On charge sur la colonne équilibrée une solution 19. contenant 35 parties par million d'alkylbenzènesulfonates (LAS) dont les chaînes alkyliques linéaires ont des longueurs de 9 à 14 atomes de carbone. Le chromatogramme de la figure 3 montre clairement que l'échantillon renferme au moins 10 composants.

EXEMPLE 3

Cet exemple illustre la séparation de cations organiques. Un courant d'acide hexanesulfonique 5 mm circulant à un débit de 3,0 ml/min est envoyé à l'aide d'une pompe sur une colonne de 4 x 250 mm de résine poreuse décrite

dans l'exemple 1.

L'effluent de cette colonne est envoyé à une colonne d'échange anionique qui est une colonne de 3 x 250 mm de "Dowex 1-X10" sous la forme de l'ion hydroxyde, puis à une cellule de conductivité. La figure 4 montre les résultats obtenus lorsqu'on injecte dans la colonne 20 pl d'une solution contenant 25 mg/i de chacun des ions NH4, HOCH2CH2NH3 et

<CH3)3NH±

EXEMPLE 4

L'exemple 4 illustre l'utilisation d'une seule et même colonne pour séparer des anions ou des cations par de simples changements de l'éluant. Une colonne de 4 x 250 mm garnie de résine poreuse de l'exemple 1 est utilisée comme décrit dans l'exemple 3 pour séparer un mélange contenant mg/i de chacun des ions NH4+, CH3NH3+, HOCH2CH2NH3+, (CH3)3NH2 et-(CH3) 3NH Les résultats sont reproduits sur la figure 5. Cette colonne est ensuite lavée par un courant d'eau envoyé à l'aide d'une pompe jusqu'à ce que le pH de l'effluent soit neutre. La colonne est ensuite traitée avec un courant aqueux de 1 g/litre d'hydroxyde de tétrabutylammonium circulant à la vitesse de 2 ml/minute sous l'action d'une pompe. On fait passer environ 1 litre de liquide dans la

colonne à l'aide de la pompe.

Ensuite, on envoie par pompage à la vitesse de 0,7 ml/minute un courant d'hydroxyde de tétrabutylammonium 1 mM et d'acétonitrile à 5 % (volume à volume) sur la colonne préalablement traitée au bromure de tétrabutylammonium de la 249689i 20. manière décrite ci-dessus. L'effluent de la colonne de résine poreuse est envoyé à une colonne d'épuisement qui est une colonne de 6 x 250 mm de "Dowex 50W-X16" sous la forme de l'ion hydrogène, puis à la cellule de conductivité. On injecte 20 microlitres d'un mélange de 4 mg/1 de F-, 5 mg/l de Ci-, mg/1 de NO2-, 20 mg/1 de Br7 et 30 mg/1 de NO3. Les résultats sont reproduits sur la figure 6. On note une excellente résolution des anions par la colonne précédemment

utilisée pour séparer les cations.

249689i 21.

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. - Méthode de séparation chromatographique et d'analyse quantitative d'au moins une première et une seconde espèce ionique de composés ionisables dans une phase liquide mobile polaire, toutes lesdites espèces ioniques ayant une charge positive ou négative, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes qui consistent (a) à faire passer la phase liquide mobile, renfermant un composé formant des sites d'échange ionique,

sur une première colonne (13) comprenant un lit chroea-

tographique hydrophobe poreux ne présentant essentiellement aucun site d'échange ionique fixé de façon permanente, le composé générateur de sites d'échange ionique comprenant un ion complémentaire de charge opposée à ladite espèce ionique et comprenant également un co-ion de même charge que l'espèce ionique, de manière que l'ion complémentaire forme des liaisons réversibles d'adsorption avec le lit chromatographique pour y créer des sites d'échange ionique, et de manière que la première et la seconde espèce ionique soient retardées différemment par les sites

d'échange ionique et soient dédoublées chroma-

tographiquement dans l'éluant sortant de la première colonne (13),ledit éluant comprenant

également des ions complémentaires et des co-

ions; (b) à faire passer l'éluant de la première colonne (13) sur une seconde colonne (14) convrenant une résine

d'échange ionique d'un type qui interdit sensi-

blement le passage des ions complémentaires et des co-ions sous la forme ionique, et (c) à faire passer l'éluant de la seconde colonne (14) dans une cellule de conductivité (15) associée à un

dispositif delecture (17)pour détecter quantita-

tivement la première et la seconde espèce ionique.

2. - Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la phase liquide mobile comprend un 22. composé organique polaire sensiblement non ionique en une quantité apte à réduire le temps de retardement de l'espèce

ionique dans le lit, d'une manière réglée.

3. - Méthode suivant la revendication 1, carac-

térisée en ce que la phase liquide mobile comprend un réactif révélateur, renfermant un ion révélateur inorganique de même charge que l'espèce ionique, en une quantité apte à réduire le temps de retardement de l'espèce ionique dans le lit d'une manière réglée, l'ion révélateur et son co-ion étant des ions qui se trouvent pratiquement dans l'impossibilité de traverser

la seconde colonne (14) sous la forme ionique.

4. - Méthode suivant la revendication 1, carac-

térisée en ce que la résine chromatographique a une surface spécifique d'au moins 100 m2/g, cette résine ayant de

préférence un paramètre de solubilité d'environ 7,5 à 15,0.

5. - Méthode suivant la revendication 1, carac-

térisée en ce que les espèces ioniques sont des anions, le co-

ion de l'ion complémentaire étant de préférence choisi entre

les ions hydroxyde, borate et carbonate.

6. - Méthode suivant la revendication 5, carac-

térisée en ce que la seconde colonne (14) est une colonne du type d'échange cationique sous la forme hydrogène qui retient les ions complémentaires et qui laisse passer les co-ions des ions

complémentaires sous la forme hydrogène.

7. - Méthode suivant la revendication 5, carac-

térisée en ce que les anions sont inorganiques, l'ion

complémentaire étant de préférence un ion alkylammonium.

8. - Méthode suivant la revendication 1, carac-

térisée en ce que les espèces ioniques sont des cations, le co-ion de l'ion complémentaire étant de préférence l'hydrogène.

9. - Méthode suivant la revendication 8, carac-

térisée en ce que la seconde colonne (14) est une colonne du type anionique sous la forme hydroxyde qui retient l'ion complémentaire et qui laisse passer les co-ions de l'ion

complémentaire sous la forme hydroxyde.

10. - Méthode suivant la revendication 1, carac-

térisée en ce que le lit chromatographique est essentiellement 23. formé d'une résine organique, ce lit comprenant de préférence une chaîne hydrocarbonée liée à un substrat formant une

garniture à phase inversée.

11. - Méthode suivant la revendication 1, carac-

térisée en ce que le substrat de la chaîne hydrocarbonée

consiste en silice.

12. - Méthode de séparation chromatographique et d'analyse quantitative d'au moins une première et une seconde espèce ionique de composés ionisables dans une phase liquide mobile polaire, toutes lesdites espèces ioniques ayant une charge positive ou une charge négative, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes qui consistent (a) à faire passer la phase liquide mobile, comprenant un ion complémentaire de charge opposée à l'espèce ionique et comprenant également un co-ion de même charge que l'espèce ionique, sur une première colonne (13) comportant un lit chromatographique hydrophobe poreux ne présentant essentiellement aucun site d'échange ionique fixé en permanence, de manière que l'ion complémentaire et l'espèce ionique forment une première et une seconde paire réversible d'ions qui engendrent des liaisons réversibles par adsorption avec la résine chromatographique, et de manière que les espèces ioniques soient différemment retardées par le lit et par conséquent dédoublées chromatographiquement dans l'éluant de la première - colonne (13), cet éluant comprenant également une portion des co-ions; (b) à faire passer l'éluant de la première colonne(13) sur une seconde colonne (14) renfermant une résine

d'échange ionique de type interdisant sensi-

blement le passage des ions complémentaires et des co-ions sous la forme ionique et convertissant les espèces ioniques des première et seconde paires d'ions en une forme plus fortement ionisée; et (c) à faire passer l'éluant de la seconde colonne (14) dans une cellule de conductivité (15) en association avec un

2496859 î-

24.

dispositif de lecture (17) pour détecter quanti-

tativement la première et la seconde espèce ionique.

13. - Appareil pour la séparation chromato-

graphique et l'analyse quantitative d'espèces ioniques dans une phase liquide mobile polaire comprenant un ion complémentaire commun aux espèces ioniques, -toutes les espèces ioniques ayant une charge positive ou une charge négative, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une première colonne (13)renfermant un lit chromatographique hydrophobe poreux ne présentant essentiellement aucun site d'échange ionique en liaison permanente, le lit comportant des chaînes hydrocarbonées capables de former des liaisons réversibles d'adsorption avec les groupements organiques de la phase liquide mobile polaire; (b) un moyen d'introduction de la phase liquide mobile polaire dans la première colonne (13); (c) une seconde colonne (14) renfermant un lit de résine d'échange ionique de type et de capacité aptes à interdire le passage de l'ion complémentaire sous la forme ionique; (d) un premier conduit entre la première et la seconde colonne (13 et 14); (e) un dispositif (16) de mesure conductivité associé à un dispositif de lecture (17y-,le dispositif de mesure (16) -comprenant au moins une première cellule de conductivité à écoulement(15); et <f) un second conduit entre la seconde colonne (14) et la

cellule de conductivité (15).

14. - Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le lit chromatographique comprend des chaînes hydrocarbonées liées à un substrat formant une garniture à phase inversée, le substrat de la phase inversée

comprenant de préférence de la silice et le lit chromato-

graphique étant de préférence essentiellement formé d'une

résine organique.