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WO 02/44710 PCT/FR01/03760
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DISPOSITIF DE COUPLAGE D'UN MICROCHROMATOGRAPHE
AVEC UN SPECTROMETRE DE MASSE ET DISPOSITIF D'ANALYSE
DESCRIPTION
L'invention est relative à un dispositif de
couplage d'un microchromatographe avec un spectromètre
de masse.
. L'invention concerne également un
dispositif d'analyse comprenant un microchromatographe
et un spectromètre de masse reliés par l'intermédiaire
de ce dispositif de couplage.
La combinaison d'un chromatographe en phase
gazeuse (GC) avec un spectromètre de masse (MS),
éventuellement associé à un ordinateur est un des
outils les plus puissants mis en aeuvre en chimie
analytique et trouve en particulier son application
dans l'analyse des gaz.
Cette technique a connu d'importants
progrès, notamment grâce à la mise au point de colonnes
capillaires en silice fondue de faible diamètre et
débit et l'apparition de nouveau spectromètre de masse
avec une capacité de pompage élevée.
Ainsi, le microchromatographe (MCG) est un
appareil qui permet de réaliser l'analyse haute
résolution de mélanges complexes de manière rapide, par
exemple en moins de trois minutes, et performante.
Le détecteur est un microcatharomètre non
destructif, ce qui explique l'intérêt qu'il y a à
coupler le microchromatographe (pCG) à un spectromètre
de masse qui ajoute la possibilité d'identification
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certaine de chaque composé séparé par la colonne
chromatographique.
Un problème important rencontré dans les
dispositifs combinant un chromatographe et un
spectromètre est le choix du système de couplage,
réalisant l'interface entre les deux appareils.
Le problème du couplage se pose
différemment selon le dispositif chromatographique
utilisé et. la capacité de pompage du spectromètre. La
génération précédente des catharomètres classiques
imposait l'utilisation de colonnes remplies, de gros
diamètre, par exemple de plusieurs millimètres, et de
débit de gaz vecteur élevé, par exemple de quelques
dizaines de millilitres/minute. Un couplage avec un
spectromètre de masse exigeait alors un séparateur de
flux et un pompage différentiel dont la maîtrise était
toujours délicate [1].
Le microdétecteur catharomètre
(microcatharomètre) couplé aux colonnes capillaires de
faible débit (1 à 2 ml/min.) est désormais parfaitement
compatible avec les capacités de pompage d'un
spectromètre de masse actuel.
Le couplage direct en ligne sans séparateur
est donc possible, à condition toutefois de s'assurer
qu'une perte de charge permanente de 1 bar soit
entretenue entre le microdétecteur et la source du
spectromètre de masse : c'est la fonction assurée par
un tube capillaire spécialement dimensionné.
En supposant cette condition satisfaite, il
est pratiquement possible d'effectuer le raccordement
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au microdétecteur de deux manières : soit étanche, soit
ouvert.
Le couplage étanche, est décrit sur la
figure 1. Dans ce couplage le flux issu du détecteur
(1) arrive directement dans la source (2) par
l'intermédiaire du tube capillaire (3) et de
l'interface (4).
Ce couplage présente le risque de perturber
le fonctionnement du détecteur microcatharomètre, à la
merci d'une variation des capacités de pompage du
spectromètre ou de la modification des conditions
d'analyse, à savoir essentiellement la pression en tête
et/ou la température de colonne.
Autrement dit, le couplage étanche présente
l'avantage d'un rendement de 100 %, mais au détriment
du fonctionnement optimal soit du microcatharomètre,
pouvant se trouver en dépression, soit du spectromètre,
dont le vide devient défectueux par saturation des
capacités de pompage.
En revanche, le raccordement ou couplage
ouvert, qui est décrit sur la figure 2, possède
l'avantage de conserver les conditions de
fonctionnement optimal des deux détecteurs, et les
temps de rétention sont identiques à ceux obtenus en
chromatographie classique [2]. Ce montage fonctionne
généralement sur le principe suivant : la perte de
charge de la ligne de transfert est imposée, elle est
de 1 bar, le diamètre et la longueur du capillaire (3)
sont choisis de telle façon qu'un débit de gaz vecteur
proche du maximum tolérable par le spectromètre (source
2) traverse la ligne de transfert, et ce débit est
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aussi proche que possible du débit quittant le
microdétecteur [3].
Les auteurs préconisent un ajout d'hélium
complémentaire (5) pour pallier à une baisse de débit,
cet hélium protégeant le spectromètre de masse d'une
entrée d'air. Cette solution présente l'avantage de
préserver à la fois le spectromètre de masse et le
catharomètre, mais elle induit une dilution du flux
soluté (6). qui peut être préjudiciable dans tous les
cas où la recherche de traces est l'objectif visé.
Aucun des dispositifs de couplage,
actuellement connus, ne permet un couplage satisfaisant
entre la sortie du microchromatographe, c'est-à-dire le
catharomètre et la source du spectromètre de masse.
Un tel dispositif de couplage doit assurer
plusieurs fonctions et répondre à plusieurs exigences
qui sont notamment les suivantes :
- assurer un fonctionnement du détecteur
catharomètre à pression atmosphérique, quelles que
soient les exigences de l'analyse relatives notamment à
la pression en tête de colonne et à la température de
colonne.
Ce fonctionnement est le gage de la
sensibilité optimale du détecteur et de la linéarité de
la réponse, en fonction de la concentration des
espèces ;
- prélever l'intégralité du flux quittant
le microdétecteur et par conséquent bénéficier de la
sensibilité maximale au niveau de la détection du
spectromètre de masse ;
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- conserver la séparation des espèces déjà
détectées, et les transférer dans la source du
spectromètre, sous vide secondaire ;
- ce dispositif de couplage doit pouvoir
5 être connecté indifféremment à l'un quelconque des
modules, par exemple au nombre de quatre, pouvant
équiper le microchromatographe. Passer d'un
microdétecteur à un autre doit être très simple et
rapide, sans pour autant perturber le fonctionnement du
spectromètre.
Le but de la présente invention est, entre
autres, de fournir un dispositif de couplage qui ne
présente pas les inconvénients, limitations, défauts et
désavantages de l'art antérieur et qui résolve les
problèmes des dispositifs de couplage de l'art
antérieur.
Le but de la présente invention est encore
de fournir un dispositif de couplage qui satisfasse,
entre autres, aux critères et exigences définies
ci-dessus pour un tel dispositif.
Ce but et d'autres encore sont atteints,
conformément à l'invention, par un dispositif de
couplage reliant la sortie d'un microchromatographe
(}1CG) à l'entrée d'un spectromètre de masse (SM), ledit
dispositif de couplage comprenant un tube capillaire
dont l'une des extrémités est raccordée de façon
étanche à la source sous vide du spectromètre de masse
par l'intermédiaire d'un dispositif d'interface, et
dont l'autre extrémité est raccordée à la sortie du
microchromatographe, de manière lâche, ouverte sur
l'atmosphère ; la longueur et le diamètre du tube
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capillaire étant choisis pour que le débit à
l'intérieur du tube capillaire soit très voisin du
débit à la sortie du microchromatographe ; le
dispositif d'interface étant, en outre, muni de moyens
de chauffage pour ajuster très précisément le débit
prélevé par le capillaire.
Le dispositif de couplage selon
l'invention, pourvu d'une interface spécifique,
chauffante, assure le transfert des solutés quittant le
microdétecteur à pression atmosphérique vers la source
du spectromètre fonctionnant sous vide secondaire.
Le dispositif de couplage selon l'invention
apporte une solution aux problèmes posés par les
dispositifs de couplage de l'art antérieur et satisfait
aux critères et exigences mentionnés plus haut.
Le couplage selon l'invention peut être
défini comme un couplage ouvert qui permet, en
particulier, de préserver aussi bien le spectromètre de
masse que le catharomètre, tout en conservant le flux
de soluté dans son intégralité, sans aucune dilution.
Pour la première fois, selon l'invention,
il existe un dispositif de couplage reliant deux
détecteurs dont le principe de fonctionnement diffère
fondamentalement, travaillant sur une prise
d'échantillon commune et dont les limites de détection
sont tout à fait comparables.
En d'autres termes, le dispositif selon
l'invention conserve intégralement la séparation,
obtenue, dans le microchromatographe, et la transfère
sans l'altérer, ni la diluer dans le spectromètre de
masse.
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Au cours de l'analyse chromatographique, le
débit dans la colonne peut changer du fait des
variations de température.
Selon l'invention, le chauffage de
l'interface permet de réguler la température pour
assurer la continuité du débit, ce qui est absolument
impossible avec les dispositifs de couplage de l'art
antérieur.
. Selon l'invention, le débit prélevé par le
tube capillaire, est très facilement ajusté par simple
modification de la température de l'interface.
La température de l'interface est
avantageusement ajustée de façon à ce que le débit
prélevé par le capillaire, soit très voisin ou égal au
débit à la sortie du microchromatographe.
Avantageusement, on compare l'intensité
relative des pics, d'une part, de l'eau et, d'autre
part, de l'azote et/ou de l'oxygène présents dans la
source du spectromètre de masse et on agit en
conséquence sur les moyens de chauffage de l'interface
pour augmenter ou diminuer la température de celle-ci
et diminuer ou augmenter respectivement le débit
prélevé par le tube capillaire.
Les moyens de chauffage dont est pourvu,
selon l'invention, le dispositif d'interface permettent
de faire varier cette température dans une large plage,
généralement de l'ambiante à 200 C.
Cette température dépend du capillaire
utilisé (diamètre et longueur). Dans la plage de
températures ci-dessus, pour chaque diamètre de tube
capillaire, il existe une gamme de températures
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préférées - par exemple, 50 à 60 C - à l'intérieur de
la plage de températures, ci-dessus, pour laquelle le
débit prélevé par le capillaire est strictement égal au
débit en sortie de colonne chromatographique.
Selon l'invention, la température de
l'interface peut être optimisée pour chaque température
de colonne chromatographique et un domaine de
fonctionnement adéquat pour l'analyse par couplage peut
être déterminé en toutes circonstances.
L'invention concerne également un
dispositif d'analyse comprenant un microchromatographe
et un spectromètre de masse, la sortie du
microchromatographe étant reliée à l'entrée du
spectromètre de masse par le dispositif de couplage,
tel qu'il est décrit ci-dessus.
Un tel dispositif d'analyse possède tous
les avantages liés à la mise en aeuvre du dispositif de
couplage de l'invention et, pour la première fois, il
associe deux détecteurs dont le principe de
fonctionnement diffère fondamentalement, travaillant
avec une prise d'échantillon commune et dont les
limites de détection sont tout à fait comparables.
Le dispositif d'analyse, selon l'invention,
permet, avec une seule injection, d'effectuer deux
analyses.
Le dispositif d'analyse, selon l'invention,
permet l'analyse quantitative et qualitative de
mélanges inconnus sans pour autant qu'il soit
nécessaire de disposer obligatoirement des mélanges
étalons correspondants.
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Avantageusement, le dispositif d'analyse de
l'invention peut être muni en amont du
microchromatographe d'un dispositif de préconcentration
ou de concentration, restitution, permettant
d'accumuler les traces de composés à analyser dans un
fluide.
Ce dispositif de préconcentration repose
sur une adsorption suivie d'une thermodésorption.
. Le dispositif d'analyse selon l'invention
est avantageusement un dispositif transportable, en
particulier lorsqu'il se trouve pourvu du système de
préconcentration mentionné ci-dessus, qui permet de
conduire des analyses portant sur des traces.
Le dispositif selon l'invention trouve son
application dans tous les domaines où l'analyse de
traces s'avère ou non indispensable : environnement,
raffineries, stockage et distribution de gaz naturel,
atmosphère confinée, ciel de réacteur, etc..
L'invention sera mieux comprise à la
lecture de la description qui va suivre, faite à titre
illustratif et non limitatif, en référence aux dessins
joints, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe
schématique illustrant un dispositif de couplage en
ligne, sans séparateur, du type à couplage étanche, de
l'art antérieur ;
- la figure 2 est une vue en coupe
schématique illustrant un dispositif de couplage en
ligne, sans séparateur, du type à couplage ouvert, de
l'art antérieur ;
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- la figure 3 est une vue, du dessus,
schématique d'un microchromatographe susceptible d'être
relié à un spectromètre de masse par le dispositif de
couplage de l'invention ;
5 - la figure 4 est une vue en coupe
schématique du dispositif de couplage selon
l'invention ;
- la figure 5 est une vue en coupe
schématique du dispositif de montage permettant
10 d'optimiser le diamètre et la longueur du tube
capillaire du dispositif de couplage selon
l'invention ;
- les figures 6A et 6B représentent le
bruit de fond en temps réel du spectromètre de masse,
pour une température de la colonne analytique de 130 C
et des températures d'interface respectivement de 50 C
et 60 C ; en ordonnée, est portée l'abondance relative
en % et en abscisse le rapport m/z ;
- les figures 7A, 7B et 7C représentent
respectivement le chromatogramme, le chromatogramme
bâti sur le courant ionique total (CIT) et le spectre
de masse obtenus lôrs de la recherche de traces d'oxyde
d'éthylène dans des poches chirurgicales ; la figure 7D
représente le spectre de masse, référence de l'oxyde
d'éthylène, stocké dans la bibliothèque de spectres ;
- les figures 8A, 8B et 8C illustrent la
méthode, dite de déconvolution et représentent
respectivement le chromatogramme, le chromatogramme
bâti sur le courant des ions m/z = 69 et 119 (CZF6) et
le chromatogramme bâti sur le courant des ions m/z = 28
et 32 (02 + N2 ) ;
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- les figures 9A, 9B, 9C et 9D illustrent
l'identification de produits inconnus présents dans un
mélange à l'état de trace.
- la figure 9A est un chromatogramme
(abscisse temps et en secondes) du mélange inconnu ; la
figure 9B est le chromatogramme bâti sur le courant
ionique total de ce même mélange, les figure 9C et 9D
sont respectivement les spectres de masse des deux
produits inconnus détectés dans le mélange, identifiés
par comparaison avec les spectres de masse stockés dans
la bibliothèque de spectres.
Le dispositif de couplage selon l'invention
relie la sortie d'un microchromatographe (}tCG) à
l'entrée d'un spectromètre de masse (SM), en
particulier un spectromètre de masse quadripolaire.
Ainsi, ce couplage associe deux détecteurs
reposant sur des principes analytiques complètement
différents et fonctionnant à partir d'une même prise
d'échantillon.
Le couplage, réalisé et testé avec succès,
se compose de trois éléments distincts ayant chacun une
fonction précise au cours de l'analyse :
- le microchromatographe permet la
séparation des différents constituants du mélange
gazeux. Chaque composé est détecté par le
microcatharomètre, ce qui conduit à l'émission d'un
premier chromatogramme ;
- le spectromètre de masse quadripolaire
permet d'obtenir un deuxième chromatogramme basé sur la
variation du courant total d'ions, ainsi que le spectre
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de masse de chacun des composés, ce spectre permettant
l'identification ;
- l'interface spécifique de l'invention
assure le transfert des solutés quittant le
microdétecteur à pression atmosphérique vers la source
du spectromètre fonctionnant sous vide secondaire.
Nous décrirons successivement, dans ce qui
suit, chacun des trois éléments.
. Le premier élément est donc un
microchromatographe ; on décrit ci-après un
microchromatographe particulier, tel que celui
commercialisé par la Société SRA INSTRUMENTS , dont le
module est représenté sur la figure 3, mais il est bien
évident que le dispositif selon l'invention permet le
couplage de tout MCG avec tout SM.
Le microchromatographe est un analyseur de
gaz à la fois rapide et performant. Le coeur du système
est le module analytique qui est constitué d'une vanne
d'injection automatique, de la colonne analytique
équipée d'un dispositif de chauffage et du détecteur
qui est à conductibilité thermique, appelé aussi
microcatharomètre .
Le micro-CG est généralement équipé de deux
à quatre modules chromatographiques (31), chacun de ces
modules étant à lui seul un chromatographe possédant
son détecteur et pouvant opérer avec son gaz vecteur.
Il est possible d'ajuster la pression en tête et la
température de colonne (isotherme), la durée d'analyse
et, enfin, le volume injecté.
Une micropompe à membrane, commune, par
exemple, aux deux modules, est capable d'aspirer un
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échantillon pour autant que sa pression soit au minimum
voisine, par exemple, de 600 mbar (pression absolue) et
supporte une pression à l'aspiration allant, par
exemple, jusqu'à 4 bar.
L'injecteur automatique (33), propre à
chaque module, reçoit les échantillons (en 32) et
permet d'introduire des volumes programmables
d'échantillons compris, par exemple, entre 0,33 et
uL dans les colonnes. Associé aux colonnes
10 capillaires ou microcapillaires, l'ensemble permet des
temps d'analyse très courts, par exemple de 30 à
160 secondes.
Ainsi sur la figure 3, le module (31)
chromatographique représenté comporte-t-il une entrée
15 (32), un injecteur (33), relié à une colonne analytique
et à une colonne de référence (34, 35) et, enfin, un
détecteur microcatharomètre (36) relié à la sortie (37)
du module.
Le catharomètre (ou microcatharomètre)
discrimine les gaz à partir de leur conductibilité
thermique. Le principe consiste à comparer la
conductibilité thermique du gaz vecteur pur dans la
colonne de référence à celle des mélanges soluté/gaz
vecteur qui quittent la colonne analytique à un instant
t donné. Le principe de mesure du catharomètre (ou
microcatharomètre) repose sur le pont de Wheatstone.
Une des caractéristiques majeures de ce
type de détecteur est la linéarité de la réponse en
fonction de la concentration. L'intérêt du
microdétecteur est sa sensibilité associée à un temps
de réponse, par exemple de seulement 10 millisecondes :
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la plupart des composés sont détectés dans une gamme de
concentration allant de la ppm à 100 %.
La réponse d'un composé quelconque,
détecté au moyen d'un catharomètre, est proportionnelle
à la différence de conductibilité thermique que
présente ce composé avec le gaz vecteur. Il est par
conséquent possible de conduire une estimation de la
concentration de ce composé dans un mélange, à partir
de la surface du pic qui lui correspond, à condition
toutefois que le composé en question ait été identifié,
puisque la connaissance de sa conductibilité thermique
est indispensable au calcul. Ainsi, même en l'absence
de mélange étalon, il est possible de conduire une
première estimation des concentrations qui demeure très
acceptable.
La détection, au moyen du catharomètre
étant non destructive, le couplage avec un spectromètre
de masse ouvre les possibilités d'analyse quantitative
portant sur des mélanges inconnus, sans pour autant
disposer obligatoirement des mélanges étalons
correspondants.
Selon l'invention, le dispositif de
couplage est raccordé, d'autre part, à un spectromètre
de masse.
Le spectromètre de masse utilisé selon
l'invention se compose généralement d'une source à
impact électronique, d'un analyseur quadripolaire, d'un
détecteur multiplicateur d'électrons et du système de
pompage permettant d'obtenir un vide secondaire.
Le spectromètre de masse peut être
considéré, dans le cas du couplage avec le
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microchromatographe, comme un détecteur dont le but est
d'analyser en continu la composition de l'éluat
quittant le microcatharomètre.
Le spectromètre de masse utilisé selon
5 l'invention permet un balayage rapide du domaine de
masse, par exemple 5 200 uma/seconde, afin de conserver
la résolution initiale obtenue grâce à la
chromatographie.
. Le spectromètre enregistre indistinctement
10 des spectres de masse à une cadence prédéterminée.
Chaque spectre présente une série de pics de masse dont
les intensités sont automatiquement additionnées et
cette somme est appelée courant ionique total
(CIT) .
15 Le spectromètre de masse permet ainsi
d'obtenir un second chromatogramme reposant sur la
variation de l'intensité du CIT.
Sur la figure 4 est représenté le
dispositif de couplage selon l'invention.
Ce dispositif de couplage comprend un tube
capillaire (41) dont la longueur et le diamètre interne
sont choisis de manière telle que le débit qui circule
à l'intérieur du tube soit sensiblement égal, ou se
rapproche le plus possible du débit (42) à la sortie du
microchromatographe (43).
A titre d'exemple, le diamètre interne du
tube capillaire sera, par exemple de 0,15 mm, et, dans
ce cas, la longueur du tube capillaire sera voisine de
1,20 m.
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Le tube capillaire peut être réalisé en
tout matériau convenant à cet usage. De préférence, le
tube capillaire est en silice fondue désactivée.
L'une des extrémités du tube capillaire est
raccordée de manière étanche, par l'intermédiaire d'un
dispositif d'interface (44) à la source (45) sous vide
secondaire (10-5 - 10-6 mbar) du spectromètre.
Le dispositif d'interface est connu et
équipe déjà de nombreux spectromètres commercialisés :
ce dispositif d'interface a pour fonction de conduire
le tube capillaire jusque dans la source du
spectromètre.
L'étanchéité par rapport à l'atmosphère est
assurée, par exemple, au moyen d'une férule qui peut
être de composition variable (par exemple, graphitée,
en wespel-graphite, etc.).
Conformément à l'invention, le dispositif
d'interface est muni de moyens de chauffage (46)
permettant de régler, d'ajuster la température de
l'interface et donc du tube capillaire.
Ces moyens peuvent être facilement
déterminés par l'homme du métier, ils peuvent
comprendre, par exemple, une résistance chauffante
(46).
Ces moyens de chauffage de l'interface
permettent d'ajuster, de régler, le débit prélevé par
le tube capillaire, afin qu'il soit le plus proche
possible, mais par défaut du débit à la sortie du
chromatographe : la manière dont est ajusté ce débit,
au moyen du chauffage de l'interface, est décrite en
détail plus loin.
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L'autre extrémité (47) du tube capillaire
est raccordée de manière lâche, ouverte sur
l'atmosphère, à la sortie du microdétecteur (48),
c'est-à-dire que cette extrémité du tube capillaire est
rapprochée au plus près de la sortie du microdétecteur
(48), mais avec une liaison lâche, ouverte sur
l'atmosphère.
Par au plus près, on entend que l'extrémité
du tube capillaire se trouve à une distance de quelques
millimètres du microdétecteur.
Sur la figure 4, on voit que du côté du
microchromatographe, le tube capillaire pénètre sur une
certaine distance, par exemple de 5 cm, dans un tube
(49) en métal, par exemple en acier inoxydable, par
lequel il se trouve entouré.
Ce tube en métal d'un diamètre interne bien
évidemment supérieur au diamètre externe du tube
capillaire, par exemple supérieure de 1/10 à 2/10 de mm
au diamètre externe du capillaire, est connecté à la
sortie du détecteur du microchromatographe. Le flux
gazeux de soluté, sortant du détecteur du
microchromatographe (microcatharomètre) à pression
atmosphérique, est représenté par la flèche (42) sur la
figure.
On voit donc qu'un espace annulaire (410)
existe entre le tube capillaire (41, 47) et le tube
métallique (49), espace par lequel l'air atmosphérique
peut pénétrer. C'est la raison pour laquelle il est
question de liaison lâche ouverte sur l'atmosphère.
Selon l'invention, la longueur et le
diamètre du tube capillaire sont choisis de telle façon
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que le débit qui circule à l'intérieur du tube, fixé
par la perte de charge, soit sensiblement égal ou se
rapproche au maximum du débit en sortie de colonne du
microchromatographe.
Afin d'optimiser le diamètre du tube
capillaire et sa longueur, les inventeurs ont réalisé
un montage spécifique (cf. figure 5) dans lequel les
conditions de circulation du flux gazeux à l'intérieur
du capillaire sont reproduites : les deux extrémités du
tube capillaire sont raccordées de façon étanche, l'une
de ces extrémités (51) pénètre dans la source du
spectromètre de masse (52), et l'autre extrémité du
tube est reliée à la ligne (54) par laquelle circule un
flux d'hélium à pression atmosphérique (flèche 55), par
l'intermédiaire d'un piquage (56).
Dans la source du spectromètre, règne un
vide secondaire, du fait de l'action des pompes
secondaires (57) et primaires (58).
Le débit d'hélium dans la ligne, en amont
du piquage, est constant : par exemple, environ
5 mL/min.. Tandis que le capillaire aspire une certaine
quantité du flux, le débit (59) en aval du piquage en
sortie de ligne (510) est mesuré, par exemple par un
débitmètre à bulle (511). Cette mesure permet, par
différence, de déduire le débit prélevé par le
capillaire.
Différents diamètres de tube, par exemple
en silice fondue désactivée, ont été testés, par
exemple, de 0,10 mm, 0,15 et enfin 0,25 mm de diamètre.
Le débit d'aspiration est mesuré après
chaque réduction successive de la longueur du
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capillaire, jusqu'à obtenir une valeur semblable au
débit mesuré en sortie du microdétecteur, soit environ
1,5 mL/min..
A titre d'exemple, il est apparu que le
meilleur compromis se trouve dans l'utilisation du
diamètre intermédiaire de 0,15 mm. En effet, une
longueur de 120 cm est alors nécessaire à l'obtention
d'un débit proche de l'optimum. Cette longueur permet
de conserver les conditions de fonctionnement normal du
microcatharomètre, à savoir la pression atmosphérique,
tout en gardant une distance pratique entre les
deux appareils.
L'utilisation d'un diamètre de tube
inférieur peut ainsi être envisagée. Il permettrait de
réduire la longueur du capillaire, ce qui va dans le
sens de la préservation de la qualité de la séparation
obtenue par la colonne chromatographique.
I1 est également essentiel, selon
l'invention, que le débit prélevé à la sortie du
microchromatographe soit optimisé.
Le rôle du dispositif de couplage et de
l'interface est de créer la perte de charge nécessaire
entre la pression atmosphérique et le vide secondaire
dans la source du spectromètre, tout en conservant la
séparation des espèces déjà détectées par le
microcatharomètre. Cette différence de pression suppose
que le flux qui traverse le capillaire est visqueux,
jusqu'à l'entrée de la source et devient moléculaire
ensuite.
Un flux visqueux est donc à considérer pour
l'ensemble micro-CG/dispositif de couplage-interface,
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auquel peut s'appliquer en conséquence la théorie
cinétique des gaz.
La viscosité est ainsi désignée comme étant
une propriété de transport des gaz, au même titre que
5 la conductivité thermique et le coefficient de
diffusion qui sont tous les trois liés au mouvement
d'agitation des molécules. Les coefficients de
transport des gaz s'expriment en effet en fonction
d'intégrales traduisant la dynamique de la collision
10 des molécules. Or, ces intégrales de collision sont
fonction de la température, de telle sorte que la
vitesse de transport d'un gaz dans un capillaire
diminue lorsque la température et donc la viscosité du
gaz augmente.
15 Ainsi, pour une pression en tête de colonne
donnée et constante, le débit en sortie de colonne du
micro-CG est d'autant plus élevé que la température
d'analyse est faible, de même que le débit prélevé par
le capillaire est d'autant plus important que la
20 température de l'interface est proche de l'ambiante. En
maîtrisant ce dernier paramètre, à savoir la
température de l'interface, le dispositif selon
l'invention offre la possibilité d'ajuster très
précisément le débit prélevé par le capillaire et
d'amener ce débit au voisinage immédiat, mais
légèrement par défaut, de celui sortant de la colonne
chromatographique.
L'observation, en temps réel, du bruit de
fond du spectromètre de masse permet cet ajustage
précis.
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En effet, l'abondance relative des ions
détectés, de m/z égal à 4, 18, 28 et 32, correspondant
respectivement à l'hélium, l'eau, l'azote et l'oxygène
présents, peut être visualisée en temps réel.
Ces ions reflètent les quantités d'air et
de gaz vecteur arrivant dans la source du spectromètre.
En l'absence de fuite d'air, les intensités relatives
des pics m/z = 18 (H20), m/z = 28 (N2) et m/z = 32 (02)
doivent se classer dans cet ordre Ile > 128 132. A
l'opposé, une présence d'N2 majoritaire devant celle
d'H20 traduit la présence d'une fuite.
Dans le cas de notre couplage ouvert ,
une augmentation des pics caractéristiques de l'air (N2
et 02) par rapport à celui de l'eau, implique que le
débit prélevé par le capillaire est légèrement trop
fort et se compose de l'intégralité du flux quittant le
détecteur auquel s'ajoute un complément indésirable,
provenant de l'air présent autour de la liaison non
étanche.
On ajuste alors, en conséquence, la
température de l'interface - en agissant sur les moyens
de chauffage de celle-ci - de façon à diminuer
légèrement la vitesse du flux à l'intérieur du
capillaire et à amener le débit prélevé à un niveau
légèrement inférieur à celui quittant le
microchromatographe, ou plutôt le détecteur de
celui-ci. Inversement, on peut augmenter le débit
prélevé si celui-ci est trop faible, en diminuant la
température de l'interface, en agissant de même sur les
moyens de chauffage de celle-ci.
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L'invention va maintenant être décrite, en
référence aux exemples suivants, donnés à titre
illustratif et non limitatif :
Exemple 1 (figure 6)
Dans cet exemple, on illustre la capacité
d'ajustage du débit prélevé par simple modification de
la température de l'interface, grâce aux moyens de
chauffage prévus dans le dispositif de couplage selon
l'invention.
La température de la colonne
chromatographique PoraPLOT U avait été fixée à 130 C
pour les besoins particuliers d'une analyse. Dans ces
conditions, le débit d'hélium parcourant la colonne est
voisin de 1,5 mL/min.
Les figures 6A et 6B permettent de
visualiser ce bruit de fond en temps réel pour les
deux températures choisies (50 C et 60 C).
La température de l'interface est, dans un
premier temps, réglée à 50 C (figure 6A). Le pic d'N2
est alors supérieur à celui de H20, ce qui signifie que
le débit circulant dans le capillaire est supérieur à
celui en sortie de colonne et entraîne une dilution du
flux gazeux qui en sort et une pollution parasite
par de l'air ambiant.
La température de l'interface est ensuite
élevée jusqu'à 60 C (figure 6B), ce qui a pour effet
d'augmenter la viscosité du gaz vecteur, par
conséquent, de diminuer légèrement la vitesse du flux à
l'intérieur du capillaire et d'amener le débit prélevé
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à un niveau légèrement inférieur ou quasiment égal à
celui quittant le détecteur du micro-CG. Cela se
traduit par une abondance relative en ions m/z = 18
(eau), dans la source qui redevient majoritaire devant
celle de l'air.
Il apparaît donc que la température
d'interface, correspondant à un rendement de
prélèvement de 100 % pour une température de colonne de
130 C, se.situe entre 50 et 60 C. A cette température,
le débit prélevé par le capillaire est strictement égal
au débit en sortie de colonne chromatographique.
Cet exemple démontre que, grâce au
dispositif de couplage selon l'invention, la
température d'interface peut ainsi être optimisée pour
chaque température de colonne chromatographique et un
domaine de fonctionnement adéquat pour l'analyse par
couplage peut être déterminé en toutes circonstances :
la sensibilité du détecteur catharomètre est conservée
et les conditions de fonctionnement optimal du
spectromètre de masse sont sauvegardées.
Exemple 2 (fic,Zures 7 et 8)
Dans cet exemple, on utilise un dispositif
d'analyse de gaz comprenant un microchromatographe et
un spectromètre de masse reliés par le dispositif de
couplage de l'invention pour rechercher des traces
d'oxyde d'éthylène. En effet, certaines interventions
chirurgicales requièrent l'utilisation d'un fréon de
type CZF6.
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Ce fréon est stocké à pression voisine de
la pression atmosphérique dans des poches ou
enveloppes souples, préalablement stérilisées au moyen
d'un traitement par l'oxyde d'éthylène. Une norme
internationale définit un seuil de concentration en
oxyde d'éthylène toléré, après remplissage de la poche.
Il s'agit ici de doser ces traces de stérilisant.
a) Spectromètre de masse
Le spectromètre de masse utilisé est un
spectromètre de masse de type quadripolaire, muni d'un
système d'interface classique. Cette interface est
munie, conformément à l'invention, d'un système de
chauffage permettant une régulation de température de
l'ambiante à 200 C.
Avant chaque série d'analyses, le
spectromètre de masse est calibré. La calibration
s'effectue couramment avec des masses de 10 à 500 uma,
avec une durée de balayage de 0,4 seconde-par spectre,
soit 1 225 uma/s. Cette vitesse d'acquisition spectrale
constitue, par la suite, la limite à ne pas dépasser
pour rester dans le domaine de calibration.
Les paramètres de la source du
spectromètre, pour l'ensemble des analyses par
couplage, sont les suivants :
- température : 200 C
- mode d'ionisation : IE+ ;
- énergie d'ionisation : 70 eV ;
- courant d'ionisation : 200 NA.
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b) Microchromatoctraphe
Le microchromatographe, utilisé pour le
couplage, est équipé de deux modules chromatographiques
5 A et B. Les deux colonnes capillaires correspondantes
ont les caractéristiques techniques suivantes :
MODULE A MODULE B
Colcnuie PoraPLO'l' U Tamis molécula ise 5A P7AT
4 m, 0,32 am D. I., 10 }an e. p. 4 m, 0,32 inn D. I., 30 Mn e. p.
Gaz vecteur : hélium Gaz vecteur usuel : argon
Plage de teirpérature : de 30 à 160 C Plage de teuperature : de 30 à 180 C
Sépare les hydrocarbures légers, Sépare 02, N2, CH4, CO, les gaz
les alcanes, O02, H2O, H2S, S02,... rares, etc.
L'oxyde d'éthylène et le fréon étant
10 séparés par la colonne PoraPLOT U, la température est
réglée à 110 C, ce qui correspond au meilleur compromis
entre séparation et résolution pour ces deux pics.
L'oxyde d'éthylène étant présent à l'état
de trace dans les poches, le volume injecté dans la
15 colonne PoraPLOT U est fixé à sa valeur maximale, soit
environ 15 uL.
La deuxième colonne (tamis moléculaire)
sépare uniquement les constituants de l'air résiduel
présent dans la poche (environ 2$), la température de
20 colonne est donc réglée à 40 C et le volume injecté est
de 1 L, comme s'il s'agissait d'un dosage d'air
classique.
Un étalonnage préalable est conduit en mode
statique : différents mélanges air - oxyde d'éthylène
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sont préparés, puis analysés. La courbe d'étalonnage,
qui en résulte, est une droite représentant la réponse
de l'oxyde d'éthylène, en fonction de sa concentration
de 0 à 100 %. Cette droite confirme une des propriétés
spécifiques du détecteur microcatharomètre : la
linéarité de la réponse, en fonction de la
concentration.
c) Dispositif de couplacte
Le dispositif de couplage est, conformément
à l'invention, constitué par un tube capillaire d'ùn
diamètre de 0,15 mm et d'une longueur de 120 cm relié,
d'une part, à la sortie du microcatharomètre, de
manière lâche, ouverte sur l'atmosphère et, d'autre
part, à la source du spectromètre de masse, par
l'intermédiaire de l'interface.
La température d'interface est optimisée,
après fixation de la température de la colonne
chromatographique, de la manière décrite plus haut.
L'optimisation de la température
d'interface à 50 C permet d'obtenir un prélèvement
quasiment intégral du flux de gaz vecteur, sans
pollution par l'air ambiant.
d) Analyses
Le couplage est réalisé avec la colonne
PoraPLOT U. La vitesse de balayage est d'environ six
spectres par seconde, de la masse de 10 à 200 uma. Le
temps nécessaire à l'acquisition d'un spectre est de
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0,16 seconde, ce qui correspond à une acquisition de
1 188 uma/s.
Courant, énergie et mode d'ionisation
restent inchangés, de même que la température de la
source.
e) Résultats
Sur le chromatogramme issu de l'analyse
conduite sur la colonne PoraPLOT U (figure 7A),
apparaissent le pic P1 de l'air (02 + N2) coélué avec le
fréon C2F6, suivi des pics P2 et P3 de l'eau et de
l'oxyde d'éthylène. Les temps de rétention tR sont
respectivement de 30, 68 et 93 secondes.
La surface moyenne, mesurée pour l'oxyde
d'éthylène (P3), correspond, d'après l'étalonnage, à
une concentration de 60 + 4 ppmV.
Le chromatogramme, bâti sur le courant
ionique total (CIT) (figure 7B), laisse, lui, aussi
apparaître trois pics (P1r P2, P3) correspondant aux
constituants du mélange.
Le spectre de l'oxyde d'éthylène (figure
7C) est obtenu par soustraction du bruit de fond issu
des gaz résiduels également ionisés.
La comparaison de ce spectre (figure 7C)
avec ceux stockés dans la bibliothèque (figure 7D)
conduit à l'identification du produit recherché, avec
un indice de similitude de 82,7 % entre les deux
spectres.
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f) Discussion
Les variations du courant ionique total
conduisent à l'obtention d'un chromatogramme très
voisin de celui obtenu avec le microcatharomètre. La
séparation des différents constituants du mélange par
la colonne chromatographique est conservée lors de la
traversée du flux gazeux dans l'interface.
. La différence de temps de rétention entre
le chromatogramme (}iCG ) et le chromatogramme CIT est
inférieure à la seconde.
L'oxyde d'éthylène, déjà mis en évidence
sur le chromatogramme, par la comparaison du temps de
rétention avec celui de l'étalon, est confirmé par la
spectrométrie de masse. Le spectre, obtenu par
soustraction du bruit de fond, est en effet reconnu à
82,7 %, comme étant celui du composé recherché. Ce
résultat est très satisfaisant, sachant que cette
identification concerne un composé à l'état de trace.
La teneur de l'oxyde d'éthylène dans la
poche a été évaluée à 60 + 4 ppmV au moyen du
microcatharomètre. La surface du pic correspondant à ce
composé nous autorise à annoncer une limite de
détection de l'ordre de la ppmV. Il convient de noter
que la surface de ce pic, évaluée sur le chromatogramme
CIT, nous permet de considérer que cette limite est
conservée.
Ainsi, pour la première fois, grâce au
dispositif de l'invention, il existe un couplage
utilisant deux détecteurs dont le principe de
fonctionnement diffère fondamentalement, travaillant
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sur une prise d'échantillon commune et dont les limites
de détection sont tout à fait comparables.
La mise en évidence de la coélution des
pics de l'air et du fréon C2F6 sur le chromatogramme de
la figure 8A a été conduite à partir de la recherche
des traces des ions caractéristiques. Ces courants
ioniques spécifiques (des ions m/z = 69 et 119 sur la
figure 8B ; et 02 + N2 sur la figure 8C) permettent de
mettre enévidence la présence de plusieurs composés,
dans la mesure où leurs temps de rétention diffèrent
légèrement (0,49 min. sur la figure 8C pour l'air -N2
et 02 non séparés sur cette colonne - contre 0,51 min.
pour C2F6 sur la figure 8B). Bien que le courant
ionique soit limité à la somme des deux fragments
majoritaires (69 + 119), le pic du fréon apparaît
évidemment beaucoup plus intense que celui de l'air.
Ces intensités relatives reflètent les abondances
respectives dans la poche 2 % d'air contre C2F6
majoritaire).
Cette méthode de déconvolution bien connue
peut donc s'avérer très utile lors de l'analyse par
couplage de mélanges complexes. La recherche de traces
d'ions permet de confirmer la présence de composés mal
séparés par la colonne couplée .
Exemple 3 (figure 9)
L'objectif de cette analyse est
l'identification de deux produits inconnus présents
dans un mélange gazeux à l'état de trace et mis en
évidence à la suite d'une première séparation
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chromatographique conduite sur le micro-CG. Le mélange
provient directement d'un four utilisé pour la
dégradation thermique contrôlée, à très haute
température et à l'abri de l'air, de matrices de
5 polyuréthane. Le prélèvement dans une bouteille de gaz
est effectué lors de l'étape de refroidissement du four
sous flux d'azote, la pression dans la bouteille est de
l'ordre de 850 mbar.
10 EchantillonnaQe
Connaissant la pression initiale de
l'échantillon, celle-ci est amenée au voisinage de la
pression atmosphérique en complétant le mélange avec de
15 l'argon. Le gaz inerte est pour cela introduit en
légère supression dans la ligne, la bouteille est
ensuite raccordée et l'argon progressivement détendu à
l'intérieur jusqu'à atteindre la pression voulue. Cette
dilution est prise en compte ensuite dans la conduite
20 des calculs.
La bouteille est isolée et la ligne placée
sous vide, le mélange argon - échantillon est alors
détendu pour être ensuite analysé.
25 Conditions d'analyse
La température de la colonne PoraPLOT U
est réglée à 160 C pour séparer les deux produits
inconnus. Le volume injecté est de 15 uL environ.
30 La vitesse de balayage est d'environ 8
spectres par seconde, de la masse 10 à 150 uma.
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L'acquisition d'un spectre nécessite 0,12 seconde, ce
qui correspond à une acquisition de 1 167 uma/seconde.
Courant, énergie et mode d'ionisation demeurent
inchangés par rapport à l'exemple précédent, de même
que la température de la source.
Parallèlement, la colonne Tamis Moléculaire
peut séparer H2 et N2 présents dans le mélange, la
température est pour cela réglée à 60 C et le volume
injecté est voisin de 1 L.
Résultats
A la température de 160 C, la colonne
PoraPLOT U ne sépare que très médiocrement air, argon,
C02, NH3 et H20 (voir le pic P1 large mal résolu en tête
de chromatogramme (cf. figure 9A)). Apparaissent
ensuite les deux pics (P2 et P3) correspondant aux
composés recherchés, parfaitement résolus. Plusieurs
analyses confirment leur présence et les temps de
rétention sont reproductibles, respectivement tR2 = 81
et TR3 = 141 secondes.
Ces deux composés se retrouvent également
sur le chromatogramme CIT (figure 9B). Les spectres
obtenus par soustraction du bruit de fond et comparés
avec la bibliothèque (figure 9C et 9D) permettent
l'identification des composés correspondants :
l'acétonitrile, et le propanenitrile. Le taux de
similitude des spectres donne une probabilité
d'identification de 90,4 % et 73,2 $.
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Discussion
Etant donné les surfaces de pic mesurées au
moyen du microcatharomètre, la teneur globale pour ces
deux composés, évaluée à quelques ppmV, est confirmée.
Le spectromètre de masse permet
d'identifier avec quasi certitude ces deux produits. Le
premier, au temps de rétention tR2 = 81 secondes, est
reconnu à .90,4$ comme étant l'acétonitrile. Le second
à tR3 = 141 secondes, est identifié à 73,2 % comme
étant le propanentrile. Compte tenu de la nature et du
temps de rétention du premier composé, plus léger, et
en considérant l'origine du mélange (refroidissement
sous flux de N2 et donc formation possible de liaisons
c= N), cet indice de probabilité est suffisant pour
accepter la proposition.
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REFERENCES
[1] Message, G. M. Practical aspects of gas
chromatography/mass spectrometry. John WILEY & Sons
éd., 1984, New York.
[2] HENNEBERG D. ; HENRICHS U. ; HUSMANN H.
SCHOMBURG G., High-performance gas chromatograph-mass
spectrometer interfacing : investigation and
optimization of flow and temperature. Journal of
chromatography, 1978, 167, 139-147.
[3] HENNEBERG D. ; HENRICHS U. ; SCHOMBURG G., Special
techniques in the combination of gas chromatography and
mass spectrometry. Journal of chromatography, 1975,
112, 343-352.
