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Benoit Roger, Ph. D., & Alexis St-Gelais, M. Sc., chimiste

Nous lisons régulièrement sur différents groupes Facebook portant sur les huiles essentielles que les colonnes chromatographiques devraient être aussi longues que possible pour produire une séparation adéquate. De même, il est fréquemment souligné qu’une analyse trop courte a un impact négatif sur la qualité des données obtenues. Et dans le cadre le plus classique de la chromatographie en phase gazeuse, ces deux affirmations sont fondées.

Cela dit, elles ne le sont pas toujours.

Si vous jetez un œil, par exemple, à notre billet sur l’huile d’encens type serrata, vous remarquerez que la durée totale de notre analyse a été d’un peu plus de 20 minutes. C’est en contraste notable avec les presque 100 minutes d’analyse requises dans la plupart des laboratoires, et même que notre analyse-type de 60 minutes présente dans tous nos rapports depuis 2015. Toutefois, comparer strictement sur la base de la durée peut être trompeur dans ce cas. C’est parce que cette analyse d’encens a été faite en utilisant des conditions dites de GC fast; nos rapports courants sont réalisés en conditions «semi-fast»; et la plupart des autres laboratoires ont recours à du GC conventionnel (non-fast).

Mais donc, qu’est-ce donc que cette histoire de fast GC? Nous nous excusons à l’avance, car l’explication est un peu technique. Nous tentons ci-dessous de vous la présenter aussi simplement que possible. La clé est l’objectif de réduire le temps nécessaire pour compléter une analyse.

Revenons à la base. Depuis les balbutiements de la chromatographie en phase gazeuse et le développement des colonnes capillaires dans les années 1950 [1], beaucoup d’efforts ont été consacrés à l’amélioration des capacités des systèmes de GC. Parmi les paramètres à optimiser: la vitesse d’une analyse… La possibilité d’arriver à réaliser des analyses courtes se traduit en une plus grande capacité de traitement et une diminution des coûts pour les laboratoires. Elle permet également d’obtenir des réponses plus rapidement, et fournit la possibilité de répliquer une analyse dans des délais raisonnables [2]. Les principes et la théorie du GC fast ont été établis dans les années 1960, mais à ce jour, on le rencontre encore plutôt rarement, sauf dans quelques articles de recherche, et la technique conserve une aura de nouveauté [3]. Les colonnes nécessaires à sa mise en place sont d’ailleurs encore moins populaires, et parfois carrément indisponibles.

Voici les principes fondateurs du GC fast tels qu’ils sont présentés dans un document de Supelco [4] – une excellente lecture pour aller un peu plus en profondeur sur le concept. Le temps de rétention d’un composé, et conséquemment le temps nécessaire pour une analyse, peut être estimé à l’aide de plusieurs équations complexes. Trois paramètres clé peuvent être modifiés pour raccourcir l’analyse [5]:

  • Utiliser une colonne plus courte, ce qui réduit la distance à parcourir (et donc le temps nécessaire) avant qu’un composé ne parvienne au détecteur;
  • Augmenter la température plus rapidement dans le GC, sachant que les températures plus élevées diminuent graduellement la rétention des composés sur la colonne;
  • Accroître la vitesse de circulation du gaz vecteur, pour que les composés se déplacent plus vite dans le système.

Le problème, c’est qu’en appliquant ces modifications sans changer aucun autre paramètre du GC, on perd également de la résolution – qui dépend aussi en partie des mêmes paramètres. La résolution décrit la capacité d’un système à séparer les composés les uns des autres: il s’agit de l’objectif même du processus chromatographique. Le défi consiste donc à obtenir la séparation la plus rapide tout en conservant une bonne résolution, afin de séparer le plus de composés possible.

Le potentiel de résolution d’une colonne donnée est déterminée par des équations que nous ne développerons pas ici, puisqu’il faudrait sans doute utiliser de l’huile de menthe poivrée pour soulager les maux de têtes que vous pourriez ressentir en tentant de les déchiffrer… Mais on peut retenir que la résolution peut être améliorée grâce à:

  • L’utilisation de colonnes plus étroites – cela maximise les interactions entre les phases mobile et stationnaire;
  • L’augmentation de la diffusivité du gas vecteur – concrètement, cela veut dire remplacer l’hélium couramment utilisé par de l’hydrogène, puisque la diffusivité est propre à chaque gaz;
  • L’augmentation de la diffusivité de la phase stationnaire – de nouveau, concrètement, cela signifie utiliser un film plus mince de phase stationnaire, permettant aux composés de transférer plus rapidement de celle-ci à la phase mobile.

La bonne nouvelle, c’est qu’en appliquant toutes ces modifications, on peut récupérer encore plus de résolution que ce qui aurait été perdu en réduisant la longueur de la colonne, en accélérant le chauffage du GC, et en augmentant la vitesse du gas vecteur – qui étaient nécessaires pour accélérer l’analyse. Autre bonne nouvelle: si la vitesse d’analyse n’est pas un paramètre hautement critique, on peut ajuster la rampe de température et la vélocité du gas pour optimiser davantage la résolution.

Ainsi, le GC fast combine tous ces paramètres: des colonnes courtes, étroites, avec une phase stationnaire mince, opérées sous hydrogène à haute vitesse avec des rampes de température rapides. Ceci permet typiquement d’obtenir une bonne (sinon meilleure) séparation en moins de 20 minutes au lieu de 60 à 90 minutes, dans le cas des huiles essentielles.

Les chromatogrammes suivants (Figure 1 et 2) tirés de la note technique de Supelco [4] montrent un même mélange de composés analysés sur le même type de colonne en utilisant tantôt des conditions conventionnelles (profil du haut) et de GC fast (profil du bas). On peut voir que le GC fast améliore à la fois le temps d’analyse et la résolution (notée R sur la figure; un R plus élevé signifie une meilleure résolution).

Figure 1. Un mélange de composés volatils analysés sous des conditions conventionnelles de GC.

Figure 2. Le même mélange analysé en conditions de GC fast.

Alors, pourquoi le GC conventionnel existe-t-il toujours? C’est que se posent, bien sûr, quelques obstacles. D’abord, la séparation n’est pas rigoureusement la même en GC fast. Quand une méthode analytique est établie et validée, elle ne peut pas toujours être remplacée facilement – c’est la raison pour laquelle nous utilisons du GC « semi-fast » depuis 2015, avec l’objectif futur de migrer vers un GC fast complet. En outre, l’utilisation d’hydrogène en GC-MS entraîne plusieurs problèmes, incluant des modifications dans la façon dont les molécules se fragmentent. Comme toutes les bases de données commerciales sont établies à partir d’appareils sous hélium, c’est un grand défi. Nous avons d’ailleurs été contraints de conserver l’hélium pour notre GC-MS. Le dernier problème principal est que, puisque la colonne de GC fast est plus étroite, la quantité maximale d’échantillon pouvant y être injectée pour une seule analyse est réduite. Ceci peut entraîner des limitations, voire carrément des problèmes insurmontables dans certains cas.

Toutefois, lorsqu’on développe une nouvelle méthode de GC, le GC fast devrait être considéré puisqu’il fournit des avantages considérables en terme de temps et des gains significatifs de résolution. En prime, l’hydrogène est une ressource renouvelable qui peut aisément être produite sur place à partir d’eau. L’hélium, largement employé en GC, est l’un des atomes les plus abondants de l’univers, mais sur Terre, c’est une ressource non-renouvelable également très en demande dans le domaine médical… Ainsi, le GC fast est un peu plus responsable, en termes de ressources.

En conclusion, le GC fast permet l’analyse efficace et rapide des huiles essentielles, avec des résultats tout aussi bons qu’en GC conventionnel et bien plus rapidement. Ceci nous montre bien qu’une idée relativement vieille, couplée aux développements récents dans la technologie des colonnes, peut entraîner une amélioration majeure dans le domaine de l’analyse par GC dans les années à venir.

Références

[1] James, A. T., Martin, A. J. P. (1952) Gas-liquid partition chromatography. A technique for the analysis of volatile materials. Analyst, 77, 915-932, DOI: 10.1039/AN9527700915

[2] Korytár, P., Janssen, H.-G. (2002) Practical fast gas chromatography: methods, instrumentation and applications. Trends in Analytical Chemistry, 21 (9-10), 558-572. DOI: 10.1016/S0165-9936(02)00811-7

[3] Klee, M. GC Solutions #28: Why don’t more people do fast GC?, [En ligne], (page consultée le 9 mai 2017), URL: https://www.sepscience.com/Techniques/GC/Articles/1070-/GC-Solutions-28-Why-Dont-More-People-do-Fast-GC

[4] Supelco. Fast GC: Increase GC speed without sacrificing resolution, (page consultée le 9 mai 2017), URL: http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/docs/Supelco/General_Information/t407096.pdf

[5] Skoog, D. A., West, D.M., Holler, F. J., Crouch, S. R. (2013) Fundamentals of analytical chemistry, 9th edition, Cengage Learning, 1072 p.

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