La chromatographie sur couche mince (CCM) est une technique analytique largement utilisée dans les laboratoires de chimie pour séparer et identifier les composants d'un mélange. Cet article explore en détail le principe de fonctionnement de la CCM, ses applications, ses avantages, ainsi que les équipements et consommables associés.
Introduction à la CCM
La Chromatographie sur Couche Mince (CCM) est une technique d'analyse couramment utilisée en chimie pour séparer et identifier les composants d'un mélange. Elle repose sur le principe de migration différentielle des composés en fonction de leur affinité pour deux phases : une phase stationnaire et une phase mobile. C’est un procédé de séparation des constituants d’un mélange.
Principe de Fonctionnement de la CCM
Le principe de la séparation par CCM consiste à partager l'échantillon à analyser entre deux phases. De ce phénomène appelé rétention résulte que les constituants du mélange injecté se déplacent tous moins vite que la phase mobile et que leurs vitesses de déplacement sont différentes. La chromatographie d'adsorption est une technique de séparation de composés basée sur la différence d'affinité existant entre ces composés, la phase mobile, qui entraîne les composés, et la phase stationnaire.
Les Phases de la CCM
Phase Stationnaire: La phase stationnaire est généralement une fine couche d'adsorbant, comme la silice gelée, déposée sur une plaque en verre, en plastique ou en aluminium. La plaque chromatographique est en général constituée d'une couche d'environ 0,25 mm de gel de silice, fixée à une plaque rigide en aluminium. Il existe trois principaux supports : silice, alumine et cellulose. La silice est le support le plus courant.
Phase Mobile: La phase mobile, quant à elle, est un solvant ou un mélange de solvants (éluant) qui migre par capillarité à travers la couche stationnaire.
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Mécanisme de Séparation
La séparation des composés dans la CCM est basée sur leurs interactions différentes avec les phases stationnaire et mobile. Les composés ayant une plus grande affinité pour la phase stationnaire migrent plus lentement, tandis que ceux ayant une plus grande affinité pour la phase mobile migrent plus rapidement. Cette différence de migration permet de séparer les différents composants du mélange.
Facteurs Influant sur la Séparation
Plusieurs facteurs peuvent influencer la séparation en CCM, notamment :
- La polarité des composés: Les composés polaires ont tendance à interagir davantage avec les phases stationnaires polaires, tandis que les composés apolaires ont tendance à interagir davantage avec les phases mobiles apolaires.
- Le choix de l'éluant: Le choix de l'éluant est essentiel. On a vu que le choix dépendait de la polarité. L'éluant doit être choisi en fonction de la polarité des composés à séparer et de la phase stationnaire utilisée.
- La nature de la phase stationnaire: Différentes phases stationnaires ont des propriétés d'adsorption différentes, ce qui peut affecter la séparation des composés.
Applications de la CCM
La Chromatographie sur Couche Mince (CCM) trouve son application dans des domaines tels que :
- Contrôle de Qualité: Elle permet de vérifier la pureté des produits et de s'assurer de l'absence de contaminants. Lorsque les conditions opératoires sont connues, la CCM permet un contrôle aisé et rapide de la pureté d’un composé organique. Tester ses produits, c’est s’assurer de ce qu’ils contiennent. Pour éviter les surdoses, les mauvaises surprises ou d’ingérer des produits de coupe toxiques. D’abord, faire analyser ses produits, ça sert à quoi ?
- Identification de Composés: Cette technique est utilisée pour identifier les composants d'un mélange inconnu en les comparant à des composés de référence. Dans des conditions chromatographiques données, le "temps de rétention" (temps au bout duquel un composé est élué de la colonne et détecté), caractérise qualitativement une substance.
- Suivi de Réactions Chimiques: La CCM peut être utilisée pour suivre la progression d'une réaction chimique en analysant les échantillons prélevés à différents moments.
- Analyse de Produits Naturels: Elle est utilisée pour identifier et quantifier les composés présents dans les extraits de plantes, les huiles essentielles, etc.
- Séparation des couleurs d'un feutre.
- Identification des acides aminés de l'aspartame.
Avantages de la CCM
La Chromatographie sur Couche Mince (CCM) présente de nombreux avantages qui en font une technique d'analyse appréciée :
- Simplicité et Rapidité: La Chromatographie sur Couche Mince (CCM) est une technique relativement simple à mettre en œuvre et ne requiert qu'un matériel peu encombrant.
- Polyvalence: La Chromatographie sur Couche Mince (CCM) peut être utilisée pour analyser une large gamme de composés, organiques et inorganiques.
- Faible coût: La Chromatographie sur Couche Mince (CCM) est une technique relativement peu coûteuse à mettre en œuvre, ce qui la rend accessible à un large public.
- Méthode fiable et rapide.
- Résultats facilement interprétables.
Protocole Expérimental de la CCM
Voici un protocole général pour réaliser une CCM :
Lire aussi: Principe de la CCM
- Préparation de la cuve: Introduire l'éluant jusqu'à une hauteur d'environ 0,5 cm dans la cuve à chromatographie, puis la fermer. Les vapeurs d'éluant vont alors saturer la cuve. On place environ 10 mL d'éluant dans la cuve à chromatographie, afin d'avoir un demi centimètre d'éluant au fond de celle-ci. On trace un trait au crayon de papier à environ 1,5 cm du bas de la plaque, sans appuyer et sans y laisser ses empreintes.
- Préparation de l'échantillon: Si les composés à analyser sont sous forme solide, les dissoudre dans un minimum de solvant. L'étape importante de cette manipulation est le dépôt des espèces chimiques sur la plaque. On dépose à l'aide d'un capillaire les espèces à séparer, diluées dans un solvant, si possible identique à l'éluant ou suffisamment volatil, au niveau de la ligne de dépôt en réalisant des dépôts séparés de 1 à 2 cm entre eux et du bord de la plaque. Il est important de ne pas appuyer le capillaire sur la plaque afin de ne pas la creuser. Il est possible de répéter le dépôt plusieurs fois afin d'augmenter la quantité d'espèces chimiques déposées sans élargir les taches.
- Développement de la plaque: Placer verticalement la plaque dans la cuve, et la refermer rapidement. Au départ, l'éluant ne doit pas toucher les dépôts. SANS BOUGER LA CUVE, attendre que l'éluant soit arrivé à environ 1 cm du bord supérieur.
- Visualisation des résultats: Retirer la plaque et tracer rapidement au crayon à papier un trait indiquant la hauteur atteinte par l'éluant. Lorsque le front de solvant arrive à deux centimètres du haut de la plaque, on la retire et on repère immédiatement par un trait ce front, afin d'indiquer l'endroit où l'éluant est parvenu.
Révélation des Taches
Étant donné que la plupart des composés sont incolores, il est souvent nécessaire de révéler les taches après le développement de la plaque. Plusieurs méthodes de révélation peuvent être utilisées :
- Observation sous lumière UV: Les dérivés aromatiques absorbent dans l'UV. Placer la plaque sous une lampe UV et entourer les taches colorés.
- Vaporisation d'iode: Placer la plaque et quelques cristaux d'iodes, puis boucher. Les taches apparaissent en jaune-marron en présence d'iode.
- Pulvérisation de réactifs chimiques: En solution. Pulvériser la plaque avec un réactif approprié (par exemple, une solution de ninhydrine pour révéler les acides aminés). Éviter toute formation de goutelettes. Il est conseillé d'appliquer en plusieurs pulvérisations.
Le Rapport Frontal (Rf)
Le rapport frontal (Rf) est une valeur qui caractérise la migration d'un composé donné dans un système de CCM spécifique. Il est défini comme le rapport de la distance parcourue par le composé à la distance parcourue par l'éluant.
Calcul du Rf
Le Rf est calculé à l'aide de la formule suivante :
Rf = Distance parcourue par le composé / Distance parcourue par l'éluantImportance du Rf
Le Rf est une valeur utile pour identifier les composés et comparer les résultats de différentes CCM. Cependant, il est important de noter que le Rf peut varier en fonction des conditions expérimentales, telles que la nature de la phase stationnaire, la composition de l'éluant et la température.
CCM Bidimensionnelle
Dans certains cas, la séparation des composés peut être difficile à réaliser avec une CCM unidimensionnelle. Dans ce cas, une CCM bidimensionnelle peut être utilisée.
Lire aussi: Avantages de la Chromatographie sur Couche Mince
Principe de la CCM Bidimensionnelle
La CCM bidimensionnelle consiste à réaliser deux CCM successives sur la même plaque, mais dans des directions perpendiculaires. Après la première CCM, la plaque est tournée de 90 degrés et une deuxième CCM est réalisée avec un éluant différent.
Avantages de la CCM Bidimensionnelle
La CCM bidimensionnelle permet de séparer des mélanges complexes de composés qui ne peuvent pas être séparés par une CCM unidimensionnelle. Par exemple, elle peut être utilisée pour l'hydrolyse d'une protéine.
Équipements et Consommables pour la CCM
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Plaques CCM
Les plaques CCM sont disponibles en différents matériaux, tels que le verre, le plastique et l'aluminium. Elles sont également disponibles avec différentes phases stationnaires, telles que la silice, l'alumine et la cellulose.
Accessoires CCM
Une variété d'accessoires sont disponibles pour la CCM, tels que les cuves de développement, les pipettes, les pulvérisateurs et les lampes UV.
Phase Normale et Phase Inverse
En chromatographie, on distingue deux types de phases : la phase normale et la phase inverse.
Phase Normale
La phase dite « normale » est constituée de gel de silice. Ce matériau est très polaire. Il faut donc utiliser un éluant peu polaire (apolaire). Dans ce cas, les composés apolaires seront élués en premier.
Phase Inverse
La phase inverse est majoritairement composée de silice greffée par des chaînes linéaires de 8 ou 18 atomes de carbones (C8 et C18). Cette phase est très peu polaire (apolaire) et nécessite donc un éluant polaire. Dans ce cas, ce sont les composés polaires qui seront élués en premier.
Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG)
Bien que cet article se concentre principalement sur la CCM, il est utile de mentionner brièvement la chromatographie en phase gazeuse (CPG), une autre technique chromatographique couramment utilisée.
Principe de la CPG
Le principe de la séparation par CPG consiste à partager l'échantillon à analyser entre deux phases. Il permet de mettre en évidence le passage des différents gaz séparés par la colonne.
Composants d'un Système CPG
Un système CPG typique comprend les composants suivants :
- Pompe: Elle est munie d'un système de gradient permettant d'effectuer une programmation de la nature du solvant.
- Vanne d'injection: C'est un injecteur à boucles d’échantillonnage. Il existe des boucles de différents volumes, nous utilisons généralement au laboratoire une boucle de 20µl. Le choix du volume de la boucle se fait en fonction de la taille de la colonne et de la concentration supposée des produits à analyser.
- Colonne: Une colonne est un tube construit dans un matériau le plus possible inerte aux produits chimiques, souvent en inox ou en verre. Sa section est constante, de diamètre compris entre 4 et 20 mm pour des longueurs généralement de 15 à 30 cm.
- Détecteur: Un détecteur placé à la sortie de la colonne couplé à un intégrateur permet d'obtenir un tracé appelé chromatogramme. Il existe différents types de détecteurs, tels que :
- TCD (détecteur à conductibilité thermique), appelé catharomètre. Il est basé sur la mesure des variations de conductibilité thermique des mélanges gazeux en fonction de leur composition.
- FID (détecteur à ionisation de flamme). C’est un détecteur beaucoup plus sensible que le catharomètre, mais il ne donne de réponse qu’aux composés organiques. L’échantillon apporté par le gaz vecteur après séparation sur la colonne est brûlé dans une flamme d’hydrogène-air.
- Détecteur UV-visible (voir spectrométrie UV-visible) : il mesure l'absorption de la lumière par le produit à la sortie de la colonne. On opère à longueur d'onde constante, celle-ci ayant été fixée par l'opérateur. La lampe Deutérium est utilisée pour des longueurs d'onde variant de 190-350 nm. Le détecteur à barrette de diodes permet d’obtenir un domaine de longueurs d’onde simultanément. Il fournit en plus du chromatogramme des renseignements spectraux à fin d’assurer l’identité des composés séparés. Ce détecteur est composé d’une rangée de diodes, chacune indiquant l’absorbance moyenne sur un intervalle très étroit de longueur d’onde.
CCM pour la Réduction des Risques
La CCM est également utilisée dans le domaine de la réduction des risques liés à la consommation de substances psychoactives. Suite à l’interdiction d’utilisation des tests colorimétriques, des associations comme Médecins du monde ont mis au point des techniques d’analyse sur site basées sur la CCM.
Principe de la CCM pour la RdR
Il s’agit d’une méthode de chromatographie sur plaque recouverte de silice sur laquelle est déposée un échantillon du produit à analyser, mis préalablement en solution. Les différents constituants sont ensuite révélés par la vaporisation de révélateurs laissant apparaître des taches correspondant aux différents composés séparés. Si l’échantillon correspond à une poudre pure, une seule tâche apparaîtra. La CCM est plus spécifique que les tests colorimétriques puisque des standards correspondant aux molécules recherchées sont également utilisés et permettent donc de vérifier le bon emplacement de la tâche et la bonne coloration.
Limites de la CCM pour la RdR
La CCM est une méthode qui peut permettre facilement d’identifier une poudre pure contenant un composé bien connu (cocaïne, héroïne, MDMA, etc.), mais ces poudres pures ne circulent que très rarement. Elle ne permet pas de quantifier les principes actifs ni les adultérants (les produits de coupe) contenus dans l’échantillon.
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