CH399780A - Dispositif de chromatographie de partition en phase gazeuse - Google Patents

Description

  



  Dispositif de chromatographie de partition en phase gazeuse
 La présente invention a pour objet un dispositif de chromatographie de partition en phase gazeuse.



   La chromatographie groupe un ensemble de   mét-    hodes physiques permettant la séparation, l'identification et l'analyse quantitative de composés liquides ou gazeux. Toutes ces méthodes sont basées sur la répartition des composants de l'échantillon à analyser entre deux phases, l'une dite stationnaire, l'autre dite mobile. Dans la chromatographie de partition en phase gazeuse, le mélange à analyser progresse à travers une colonne ou son équivalent physique contenant la phase stationnaire sous forme d'un liquide déposé sur un support inerte remplissant la colonne ou garnissant les parois de cette dernière, le mélange étant entraîné par un gaz vecteur (phase mobile), notamment par un gaz inerte tel ! que l'hélium, l'azote, l'argon, ou dans certains cas l'hydrogène ou le mono  xyde de carbone.   



   Les résultats de l'analyse obtenue par cette   mét-    hode sont mis en évidence par un détecteur et le plus souvent enregistrés graphiquement. Les mélanges gazeux peuvent être étudiés directement, tandis que les mélanges liquides doivent être vaporisés au préalable.



   Un appareil ou   aggrâgat de chromatographie de    partition en phase gazeuse comprend en général les éléments essentiels suivants : un réservoir de gaz vecteur, un régulateur de pression, un dispositif   d'injec-    tion, une colonne de partition, un détecteur et un enregistreur.



   La colonne que l'on peut considérer comme   l'élé-    ment principal se présente généralement sous forme d'un tube de section circulaire contenant la phase stationnaire. Elle peut être en cuivre, en aluminium, en acier inoxydable, en verre, en matière synthétique, etc. ; son diamètre varie de quelques centimètres à quelques dixièmes de millimètres et sa longueur peut   atteindre une centaine de mètres    comme dans les colonnes capillaires dites de Golay. Les colonnes les plus courantes ont un diamètre interne de 2 à 8 mm et une longueur de 1 à 6 mètres ; elles se présentent sous forme rectiligne ou curviligne, hélicoïdale, en U ou spirale.



   La présente invention a pour objet un dispositif de chromatographie de partition en phase gazeuse comprenant au moins un élément caractérisé en ce que cet élément est conformé de façon à livrer pas  sa ; ge à un flux    gazeux   ! de    section pratiquement lamellaire.



   Le dessin annexé représente, à titre d'exemple et de façon schématique dans la fig. 1, un appareil classique de chromatographie de partition en phase gazeuse, et dans les fig. 2 à 6 diverses formes   d'exé-    cution d'éléments pouvant faire partie du dispositif objet de l'invention.



   L'appareil classique représenté dans la fig. 1 comprend une bouteille de gaz vecteur 1, une colonne de partition 2 contenant la phase stationnaire, un détec  teur différentiel    3 et un mesureur-enregistreur 4. La bouteille de gaz vecteur est reliée par une tubulure 5 comprenant une soupape régulatrice de pression 6 et un manomètre 7 au détecteur 3 et par une tubulure 8 à l'une des extrémités 2a de la colonne 2 contenant un support solide inerte, tel que des diatomées, imbibé   d'un    liquide faiblement volatile à la température de l'expérience. L'autre extrémité de la colonne 2 est reliée par une tubulure   9    à un autre compartiment du détecteur 3, puis par une liaison électrique 10 au mesureur enregistreur 4.

   La colonne 2 et le détecteur 3 sont maintenus à une température donnée par des thermostats 11 et 12.



   L'échantillon à analyser est introduit dans la co lonne 2 en tête   2a ide    celle-ci, au moyen d'un dispositif quelconque (seringue, pipette ou autre) et un courant constant de gaz vecteur traverse la colonne et transporte les composants du mélange sous forme de vapeurs à travers la phase stationnaire qui les retient à des degrés différents, de sorte que leurs vitesses effectives de transport diffèrent et qu'ils sortent de la colonne en fractions individuelles séparées par des zones de gaz vecteur qui sont identifiées par le détecteur 3.



   Les colonnes actuelles sont constituées par des tubes ou tronçons de tubes en série de section circulaire et constante. Selon l'invention   l'un    au moins des éléments, par exemple la colonne qui constitue un des éléments essentiels de l'appareil, est conformée de façon à livrer passage à un flux gazeux de section pratiquement lamellaire. A cet effet on peut donner à la colonne ou à son équivalent physique une section pratiquement rectangulaire aplatie dans laquelle le   
 L largeur de la section est le rappart H c'est a-dire hauteur de la section est le    plus grand possible, limité seulement par le choix des conditions de l'expérience ou les sujétions physiques.



   La fig. 2 montre un exemple schématique d'une partie de colonne 22 dans laquelle le rapport L H de la section du flux de gaz vecteur Gv est approximativement égal à 10, de sorte qu'on peut dire que la phase mobile progresse comme un filet lamellaire, pratiquement dans un plan P. En pratique ce   rapport-peut    varier entre des limites assez vastes, par exemple entre 2 pour des colonnes à canaux ou sillons capillaires et 100.



   La colonne pourrait être constituée par un tube plat, de longueur et de forme variées ou, dans le cas d'une colonne à tracé rectiligne, par une plaque avec canal lamellaire creusé par un mandrin de section rectangulaire de largeur croissante ; mais pour   amélio-    rer au maximum ses performances, sa souplesse d'emploi, ses facilités de remplissage, etc., il convient de l'exécuter comme représenté schématiquement à titre d'exemple dans les fig. 3 et 4.

   Pour constituer la colonne 32 de la fig. 3 on utilise deux plaques 15 et 16 en matériau approprié dont l'une sert de base et l'autre de couvercle ; dans la face intérieure de l'une et l'autre ou d'une seule d'entre elles sont gravés en creux des sillons 18, 19 de section pratiquement rec  tangulaire,    et dont le tracé   longitudinal peut être rec-    tiligne, curviligne ou de forme plus ou moins complexe. Les deux plaques sont ensuite superposées et réunies de façon étanche, amoviblement ou non, de manière que leurs sillons 18, 19, superposés ou décalés, forment des canaux de section lamellaire situés pratiquement dans. un plan.



   La colonne   42    de la fig. 4 ne diffère de la   précé-    dente que par l'emploi d'une plaque de base médiane 25 et de deux couvercles 26 et 27. Dans les deux faces de la plaque médiane 25 sont gravés en creux des sillons 28 respectivement 29 et d'autres sillons 30 sont graves dans la face intérieure du couvercle 26 tandis que le couvercle 27 ne comporte pas de sillons.



  Tous ces sillons ont une section pratiquement rectangulaire beaucoup plus large que profonde. Cette dernière forme d'exécution permet d'obtenir en un seul bloc deux colonnes de partition indépendantes l'un de l'autre, identiques ou différentes, tant en ce qui concerne leur section que leur tracé longitudinal.



   Le ou les couvercles et la base formant les deux parties de l'élément peuvent être formés de matériaux divers, par exemple de métaux tels que le cuivre, les alliages cupronickel, l'aluminium et les alliages légers, les aciers inoxydables, le métal Monel, les métaux nobles, etc. ou de matériaux isolants tels que le verre, les résines synthétiques et autres matières plastiques, les matières céramiques, etc.



   Le tracé longitudinal des sillons peut être rectiligne ou curviligne, en spirale, en U, etc., sans aucune limitation de forme et de longueur. La gravure des sillons de section lamellaire (larges et peu profonds, mais pas nécessairement strictement rectangulaires, peut être réalisée par tous les procédés d'usinage connus : mécaniques, chimiques, électrolytiques, par élec  tro-érosion,    ultra-sons, etc., ou par moulage. On peut aussi utiliser les procédés d'arts graphiques, notamment la photogravure, qui permettent par attaque chimique ou électrolytique, de graver en creux des tracés très complexes avec une grande précision, aussi bien dans les métaux que dans des matériaux comme le verre.



   Dans certains cas particuliers où couvercle et base seraient constitués par des feuilles métalliques minces, les sillons pourraient être obtenus par emboutissage ou matriçage.



   Une colonne de partition réalisée comme décrit ci-dessus, et contenant la phase stationnaire, est capable de travailler à pression constante quelle que soit sa longueur. En effet s'il est pratiquement impossible d'usiner des tubes ronds d'une certaine longueur possédant une section croissant régulièrement, il n'en est pas de même pour des sillons à section lamellaire.



  La profondeur du sillon restant constante sur tout son tracé, le gradient de pression désiré est obtenu facilement par une variation progressive de la largeur du sillon, notamment par le jeu du dessin et de la photographie, quelle que soit la forme du tracé.



     La fig.    5 représente, à titre d'exemple, une colonne de partition comportant un sillon en U à section lamellaire 40 gravé dans une plaque 41 qui peut servir soit de base, soit de couvercle ; ce sillon a d'un bout à l'autre la même profondeur minime par rapport à sa largeur, mais sa largeur à la sortie Ls est plus grande que sa largeur à l'entrée Le, l'accroissement de largeur étant constant.



   On remarquera d'autre part qu'il est extrêmement facile de réaliser avec un ou des sillons à section lamellaire gravés dans une surface de 30   cmX30    cm une colonne capillaire spiralée de 60 à   100 m    de long. A fortiori des   macrocolonnes    du même type sont encore plus faciles à réaliser.



   Le couvercle ou les couvercles et la base gravés en creux peuvent être unis de façon étanche, de préférence de façon qu'on puisse les séparer pour faciliter la mise en place du support de la phase stationnaire. En effet le remplissage des sillons peut se faire de deux façons : a) par bourrage sous pression à l'aide d'une pompe à vide et/ou vibrations, la phase étant introduite par la section la plus large lorsque les deux parties sont soudées, ou b) par bourrage séparé des sillons de la base, respectivement du ou des couvercles et réunion des deux parties après bourrage, par exemple par un dispositif assurant l'étanchéité (joints, enduits thermoplastiques, pression mécanique permanente, etc.).



   Lorsque la colonne peut être fabriquée en aluminium, on peut imprimer le tracé du sillon à l'aide d'une technique d'imprimerie sur une feuille mince d'aluminium. En recouvrant cette impression d'une seconde feuille mince d'aluminium et en soumettant le tout à une forte pression, les deux. feuilles se soudent ensemble partout où l'encre d'imprimerie n'est pas déposée ; l'injection, à l'aide d'une aiguille, d'une forte pression dans l'axe de l'impression sépare les deux feuilles le long du tracé ; après élimination de l'encre par dissolution, il reste un canal pouvant, une fois rempli par la phase stationnaire, jouer le rôle d'une colonne de partition. L'emploi d'un moule gravé en relief permet aussi, dans certains cas,   d'obte-    nir un sillon de section lamellaire.



   Dans le cas où les matériaux des deux parties complémentaires ne se prêtent pas à la soudure directe, on peut faire appel pour les unir aux diverses techniques connues de collage par apport d'adhésif ou de ciment, de soudure ou brasure avec métal   d'ap-    port, éventuellement avec emploi de haute fréquence.



  Dans le cas d'un élément démontable, les joints d'étanchéité peuvent être en matière synthétique comme les     silastics   ou en métaux    tendres comme l'aluminium ou l'or.



   En résumé, l'élément ou les éléments du dispositif de chromatographie exécuté comme décrit ci-dessus peut se présenter sous la forme d'une plaque de faible épaisseur par rapport à sa surface. Dans cette épaisseur, une ou plusieurs canalisations de section lamellaire et de tracé plus ou moins long et compliqué, présentant une entrée et une sortie, peuvent être remplies d'un support inerte retenant un liquide constituant la phase stationnaire et permettre   à un Eux    gazeux (gaz vecteur) de s'écouler dans des conditions similaires à celles d'un courant électrique parcourant un conducteur plus ou moins résistant de section rectangulaire du type circuit imprimé, d'où l'expression de     planaire      dont on peut logiquement affubler le flux gazeux de section lamellaire circulant pratiquement dans un plan.



   Le dispositif suivant l'invention permet de faciliter au maximum la régularité des échanges thermiques, leur reproductibilité, leur contrôle etc. Bien entendu, il est toujours possible, comme dans les appareils de chromatographie classiques, de placer l'élément dans une enceinte thermostatisée, mais il est beaucoup plus intéressant de concevoir l'élément planaire comme un élément fonctionnel possédant son propre chauffage. On peut, par exemple, appliquer sur une ou deux faces d'un élément planaire un dispo  sitif    de chauffage également planaire par exemple du type circuit imprimé, pouvant éventuellement dissiper des puissances calorifiques différemment réparties sur la surface à chauffer.

   Il est également possible de concevoir l'équipement de tels éléments planaires au moyen, d'éléments thermo-électriques élevant la température de l'élément planaire par effet Joule ou l'abaissant par effet   Peltier,    tels les éléments connus sous le   nom de   frigatronsp.   



   La fig. 6 représente schématiquement à titre d'exemple un élément de chromatographie se   présen-    tant comme élément fonctionnel muni de son chauffage indépendant. Cet élément comporte une plaque de base 65 dans laquelle sont, gravés deux sillons 68, 69 de section lamellaire et un couvercle   66    joints de façon étanche. Cet ensemble est muni sur ses deux faces d'un élément chauffant ou d'un   frigatron    planaire 70, 71 revêtu d'un isolant 72, 73. Les sillons   68,    69 sont remplis de support inerte retenant le liquide constituant la phase stationnaire.



   Cette forme d'exécution présente une série   d'a-    vantages considérables, notamment : une grande   régu-    larité de chauffage ; un contrôle rapide de la température, dans un sens comme dans l'autre ; une extension facile vers les basses températures ; l'indépendance de la climatisation qui entraîne le branchement simple des éléments planaires fonctionnels soit en série pour augmenter leur longueur, soit en parallèle pour augmenter leur débit ; la simplification des programmes de température en raison de la faible inertie thermique ; la possibilité de créer simplement des registres d'éléments capables de fonctionner ensemble à des températures différentes.



   En étendant le principe de l'élément planaire, appliqué plus spécialement dans ce qui précède à la colonne de partition, à d'autres éléments ou organes d'un appareil de chromatographie, on aboutit à un agrégat   chromatographique    planaire réunissant dans un même plan, sous sa forme la plus simple, le dispositif d'injection à liquide ou, à gaz, la colonne de partition, le détecteur, réunis entre eux directement sans tubulures annexes, ni joints, ni raccords. Ce n'est donc pas seulement l'élément colonne qui se situe dans le plan, mais   F aggrégat    formant la pièce mai  tresse du chromatographe, aggrégat    pouvant être considéré comme élément fonctionnel.



   Tous les types actuellement connus de chromatographes peuvent se transposer dans la forme planaire, soit directement, soit après adaptation de certains éléments ou organes, ou création d'accessoires nouveaux. La formule proposée convient particulièrement à la réalisation du pont de Martin, si difficile à usiner, aux détecteurs à sifflet, etc. 



   A titre d'exemple purement indicatif, on peut concevoir un   chromatographe    comprenant un agrégat planaire ayant sur une face l'injecteur pour l'analyse des gaz, l'entrée de gaz vecteur, la colonne de partition, le détecteur   catharomëtre,    la sortie communiquant avec, sur l'autre face, la colonne capillaire, le détecteur à ionisation de flamme, les canalisations incorporées d'air et d'hydrogène.

   Le détecteur à ionisation de flamme peut être classique ou transposé dans le plan avec alimentation en tension par la masse de   l'aggrégat.    Pour le détecteur   catharomëtre    on peut avantageusement, au lieu d'utiliser les filaments en spirale classiques, les transposer également dans le plan, soit sous forme de réseau de fil classique, soit mieux encore sous forme de circuit imprimé résistant, disposé ou bien directement tangent au flux gazeux, ou bien dans un logement dérivé par rapport au flux principal.



   On peut prévoir des applications spatiales de   l'ag-    grégat avec chauffage par l'énergie solaire, direct ou indirect.

Claims (1)

1. REVENDICATION Dispositif de chromatographie de partition en phase gazeuse comprenant au moins un élément, caractérisé en ce que cet élément est conformé de e façon à livrer passage à un flux gazeux de section pratiquement lamellaire.

   SOUS-REVENDICATIONS 1. Dispositif suivant la revendication, caractérisé en ce que ledit élément forme une colonne de partition comportant au moins un canal de section lamellaire destiné à contenir la phase stationnaire et à livrer passage au gaz vecteur.

   2. Dispositif suivant la revendication et la sousrevendication 1, caractérisé en ce que le canal susmentionné a une section pratiquement rectangulaire dont la largeur est au moins 2 fois l'épaisseur.

   3. Dispositif suivant la revendication et la sousrevendication 1, caractérisé en ce que le canal susmentionné a une section dont la largeur va croissant progressivement de l'entrée à la sortie.

   4. Dispositif suivant la revendication et la sousrevendication 1, caractérisé en ce que le canal susmentionné a un tracé rectiligne ou curviligne.

   5. Dispositif suivant la revendication et la sousrevendication 1, caractérise en ce que le canal a un tracé en spirale ou en forme d'U.

   6. Dispositif suivant la revendication et la sousrevendication 1, caractérisé en ce que ladite colonne de partition comprend un. grand nombre de canaux capillaires de section lamellaire.

   7. Dispositif suivant la revendication et la sousrevendication 1, caractérisé en ce que ladite colonne de partition est formée d'au moins deux plaques superposées et unies de façon étanche dans au moins une des faces intérieures desquelles est gravé en creux au moins un sillon de section lamellaire.

   8. Dispositif suivant la revendication et les sousrevendications 1 et 7, caractérisé en ce que ladite colonne de partition est en métal, par exemple en cuivre, aluminium, acier inoxydable, métal noble.

   9. Dispositif suivant la revendication et les sousrevendications 1 et 7, caractérisé en ce que ladite colonne de partition est en matière isolante, par exemple en verre, matière céramique, matière plastique.

   10. Dispositif suivant la revendication et la sousrevendication 1, caractérisé en ce que ladite colonne de partition est formée d'au moins deux feuilles métalliques minces dans au moins une desquelles est formé par emboutissage au moins un sillon de section lamellaire.

   11. Dispositif suivant la revendication et les sousrevendications 1 et 7, caractérisé en ce que les parties superposées formant ladite colonne de partition sont unies de façon amovible mais étanche.

   12. Dispositif suivant la revendication, caractérisé en ce que ledit élément comporte sur au moins une des ses faces un dispositif thermo-électrique planaire, par apport ou retrait de calories, par exemple du type circuit imprimé.

   13. Dispositif suivant la revendication, comprenant au moins un injecteur, une chambre d'évaporation, une colonne de partition, un dispositif de détec- tion, des canalisations d'arrivée, de départ, et de raccordement, caractérisé en ce que ses éléments sont disposés et conformés de façon à former un aggrégat planaire.