La chromatographie sur couche mince (CCM) est une technique analytique largement utilisée en chimie pour séparer et identifier les composants d'un mélange. Elle est appréciée pour sa simplicité, sa rapidité et son faible coût, ce qui en fait une méthode accessible à un large éventail d'utilisateurs. Cet article explore en profondeur le principe de la CCM, sa méthodologie, ses applications et ses avantages.
Introduction à la Chromatographie sur Couche Mince
La chromatographie est une méthode de séparation utilisée pour séparer les différents composants d'un mélange soluble. Découverte il y a près de 120 ans, elle s'appuie sur les caractéristiques des différents composants et leur affinité avec différents milieux. Parmi les nombreuses formes de chromatographie, la chromatographie sur couche mince (CCM) se distingue comme une technique simple et efficace.
La CCM est utilisée pour séparer les mélanges non volatils à l'aide d'une plaque CCM contenant un matériau adsorbant. Elle repose sur le principe de la distribution d'un composé inconnu entre une phase solide, appelée phase stationnaire, fixée sur une fine plaque de plastique, de verre ou d'aluminium, et une phase liquide, appelée phase mobile, qui se déplace sur la plaque. La phase mobile est un solvant d'élution qui se déplace vers le haut de la plaque CCM par capillarité.
Principe de la CCM
La CCM est une technique de séparation de composés basée sur la différence d'affinité existant entre ces composés, la phase mobile et la phase stationnaire. Tous les types de chromatographie suivent les mêmes principes de base. Un solvant, appelé phase mobile, est utilisé pour dissoudre un échantillon d'un mélange soluble. Le solvant entraîne le mélange vers le haut d'un support statique appelé phase stationnaire. Certains composants du mélange sont entraînés vers le haut du solide par le solvant plus rapidement que d'autres. On dit que les composants qui voyagent plus vite ont une plus grande affinité avec la phase mobile. Celle-ci sépare le mélange en ses composants et produit un chromatogramme.
Phase Stationnaire
La phase stationnaire est un solide, un liquide ou un gel statique. En CCM, la phase stationnaire est une couche de gel de silice, d'alumine ou de cellulose déposée sur une plaque d'aluminium, de plastique ou de verre. La silice est le support le plus courant, mais l'alumine est préférable pour les composés à caractère basique. La cellulose est quant à elle plus adaptée aux composés polaires, comme les sucres ou les acides aminés.
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La surface du gel de silice contient des groupes -OH qui peuvent former des liaisons hydrogène avec des composés ou des molécules appropriés. Ces liaisons maintiennent le composé en place, l'empêchant de se déplacer aussi rapidement vers le haut de la plaque. Les substances qui peuvent former des liaisons hydrogène se lieront plus fortement au gel de silice et auront donc une plus grande affinité avec la phase stationnaire. Elles se déplaceront plus lentement vers le haut de la plaque et donneront des valeurs Rf plus faibles. On dit qu'elles sont davantage adsorbées. Les substances qui ne peuvent pas former de liaisons hydrogène se lient moins fortement au gel de silice et se déplacent donc plus rapidement vers le haut de la plaque. Elles ont une plus grande affinité avec la phase mobile et donnent des valeurs Rf plus élevées. L'alumine fonctionne à peu près de la même manière. Elle contient également des groupes -OH sur sa surface extérieure qui peuvent former des liaisons hydrogène avec des substances appropriées.
Phase Mobile
La phase mobile est un solvant ou un mélange de solvants qui migre par capillarité à travers la couche stationnaire. Le choix de l'éluant est essentiel et dépend de la polarité des composés à séparer. Il existe de nombreuses possibilités, comme des alcools, des alcènes ou même simplement de l'eau distillée. Il est possible d'utiliser des mélanges de solvants en proportions variées, comme 100-0, 75-25, 50-50, 25-75, etc.
Affinité Relative
En chromatographie, l'affinité relative décrit à quel point un composant est attiré par la phase stationnaire ou mobile. Elle détermine la vitesse à laquelle le composant se déplace à travers la phase stationnaire. Les composants ayant une plus grande affinité avec la phase mobile se déplaceront plus rapidement vers le haut de la plaque que ceux ayant une plus grande affinité avec la phase stationnaire. Ils sont plus solubles dans le solvant.
Plusieurs types d'interactions peuvent se produire entre les composés à séparer, la phase stationnaire et la phase mobile, notamment des liaisons hydrogène. La phase mobile a pour rôle de faciliter le déplacement des composés à travers la phase stationnaire, tandis que la phase stationnaire retient les composés en fonction de leur affinité.
Méthode de CCM
La méthode de CCM comprend plusieurs étapes clés :
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Préparation de la cuve et de l'éluant : Introduire l'éluant jusqu'à une hauteur d'environ 0,5 cm dans la cuve à chromatographie, puis la fermer avec un couvercle. Les vapeurs d'éluant vont alors saturer la cuve.
Préparation de l'échantillon : Si les composés à analyser sont sous forme solide, les dissoudre dans un minimum de solvant.
Préparation de la plaque : Tracer au crayon un trait à environ 1 cm du bas de la plaque. Cette ligne servira de ligne de dépôt où seront déposées les taches.
Dépôt des échantillons : Déposer à l'aide d'un capillaire les espèces à séparer, diluées dans un solvant, 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. Il est conseillé d'utiliser des références ou témoins pour faciliter l'identification des composés. Chaque dépôt doit être réalisé avec soin, en veillant à ce que les taches soient petites et concentrées.
Développement de la plaque : Placer verticalement la plaque dans la cuve, en veillant à ce que l'éluant ne touche pas les dépôts. Refermer rapidement la cuve avec un couvercle. Attendre, sans bouger la cuve, que l'éluant soit arrivé à environ 1 cm du bord supérieur. Laisser l'éluant diffuser à la même vitesse.
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Observation du front de solvant : Lorsque le front de solvant arrive à deux centimètres du haut de la plaque, la retirer et tracer rapidement au crayon à papier un trait indiquant la hauteur atteinte par l'éluant.
Révélation des taches (si nécessaire) : De nombreux composés sont incolores et doivent être révélés.
- Observation sous UV : Les dérivés aromatiques absorbent dans l'UV. Placer la plaque sous une lampe UV et entourer les taches colorées.
- Révélation à l'iode : Placer la plaque et quelques cristaux d'iode dans une cuve fermée. Les taches apparaissent en jaune-marron en présence d'iode.
- Pulvérisation de réactifs : Pulvériser la plaque avec un réactif approprié. Par exemple, utiliser une solution de phosphomolybdène en présence de sulfate de cérium. Appliquer en plusieurs pulvérisations pour éviter toute formation de goutelettes.
Analyse des Chromatogrammes
À la fin de l'expérience, le soluté original s'est divisé en une ligne verticale de taches, chacune directement au-dessus de la tache de départ du soluté. Chaque point se trouve à une distance différente de la ligne de base du crayon. Chaque point représente un composant différent du soluté.
Calcul des Valeurs Rf
Les valeurs Rf (Rapport frontal) sont utilisées pour identifier les composés. Elles sont calculées en divisant la distance parcourue par le composé par la distance parcourue par le solvant :
Rf = Distance parcourue par le composé / Distance parcourue par le solvantLa valeur Rf est caractéristique d'un composé donné dans des conditions expérimentales spécifiques (support, éluant, température).
Applications de la CCM
La Chromatographie sur Couche Mince (CCM) trouve son application dans de nombreux domaines :
- Contrôle de qualité : Elle permet de vérifier la pureté des produits et de s'assurer de l'absence de contaminants.
- Identification de composés : Cette technique est utilisée pour identifier les composants d'un mélange inconnu en les comparant à des composés de référence. Par exemple, elle peut être utilisée pour la séparation des couleurs d'un feutre ou l'identification des acides aminés de l'aspartame.
- Suivi de réactions chimiques : La CCM permet de suivre l'évolution d'une réaction en vérifiant la disparition des réactifs et l'apparition des produits.
- Analyse de produits naturels : Elle est utilisée pour identifier et quantifier les composés présents dans des extraits de plantes ou d'autres matrices naturelles.
- Cartographie de protéines : Dans un angle de la plaque, on réalise la tache. On laisse éluer dans un premier éluant, puis dans un second éluant. On obtient alors une cartographie de la protéine.
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 CCM est une technique relativement simple à mettre en œuvre et ne requiert qu'un matériel peu encombrant.
- Polyvalence : La CCM peut être utilisée pour analyser une large gamme de composés, organiques et inorganiques.
- Faible coût : La CCM est une technique relativement peu coûteuse à mettre en œuvre, ce qui la rend accessible à un large public.
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