Chromatographie d'exclusion stérique - Définition

Étalonnage de la colonne

Étalonnage conventionnel

Pour obtenir des valeurs approchées des masses molaires moyennes des polymères, il est nécessaire d'établir une ou plusieurs courbes d'étalonnage indiquant la masse molaire moyenne en fonction du volume hydrodynamique des macromolécules. L'étalonnage est réalisé en injectant une série d'échantillons de polymères d'architecture, de faible polydispersité et de masse molaire moyenne connue. Les standards utilisés sont généralement des polystyrènes ou des polyméthyméthacrylates linéaires; le choix du standard se fait en fonction du système éluant/colonne. Le tracé du logarithme de leur masse molaire moyenne en fonction du volume de rétention (calculé à partir du temps de rétention expérimental et du débit choisi) permet d'établir la courbe d'étalonnage. Cette courbe peut être modélisé par un polynôme d'ordre 3. Le volume hydrodynamique peut être différent pour deux macromolécules de même masse molaire moyenne mais d'architecture différente. Une macromolécule non linéaire (par exemple, en peigne) occupera un plus grand volume qu'une macromolécule linéaire de même masse molaire moyenne et sera donc éluée plus rapidement même si les deux masses molaires sont identiques. Il faut donc réaliser différentes courbes d'étalonnage pour chaque type d'architecture du même polymère.

Étalonnage universel

La méthode de calibration conventionnelle n’est valable uniquement que pour un couple polymère-solvant donné, chaque couple nécessitant sa propre courbe d’étalonnage. Pour s'affranchir de ce problème, il est possible de réaliser un étalonnage universel permettant de déterminer les masses molaires moyennes de polymères d'architecture ou de composition chimique différentes. La méthode la plus simple pour réaliser la calibration universelle est d'utiliser l'équation de Mark-Houwink-Sakurada, si les coefficients de Mark-Houwink-Sakurada sont connus pour le couple polymère/éluant/température de colonne. Cette méthode ne s'applique toutefois pas aux oligomères et aux polymères branchés dont les mécanismes de séparation dans la colonne ne peuvent uniquement être expliqués par l'exclusion stérique. L'autre solution consiste à utiliser un viscosimètre, ce qui permet d'établir une relation directe entre le volume hydrodynamique et la masse molaire moyenne d'un polymère.

Analyse des polymères

Le premier niveau d’interprétation des données SEC est l’analyse de l’enregistrement des chromatogrammes sur un enregistreur potentiométrique. De nombreuses informations peuvent être obtenues en regardant juste les pics de polymère qui sont l’image de la distribution des volumes hydrodynamiques. Pour des opérations de contrôle, les chromatogrammes peuvent être considérés comme des empreintes digitales du polymère qui sont rapides à superposer pour effectuer une comparaison. La forme de la distribution (symétrique, non symétrique, monomodale, bimodale,…) caractérise la fonction de distribution du polymère en première approximation et la largeur de pics donne une idée de la polydispersité du polymère. Le volume d’élution au sommet du pic peut être mesuré facilement et donner une évaluation de la masse moléculaire moyenne par comparaison avec une courbe d’étalonnage, préalablement établie avec des standards de distribution étroite. Quand on a besoin d’informations quantitatives, il est nécessaire de mettre en oeuvre un deuxième niveau d’analyse des données en utilisant des méthodes d’intégration de pic. La SEC peut également être utilisée pour les composés de faible masse moléculaire (< 1 000 Dalton), des phases stationnaires avec des tailles de pore très petites étant disponibles. Puisque ces gels sont moins réticulés que les gels normaux, ils sont plus sensibles aux problèmes de gonflement, ce qui introduit des difficultés quand il s’agit de changer de solvant. Dans ce cas, les volumes d’élution sont moins sous le contrôle du mécanisme d’exclusion stérique et la relation entre la volume hydrodynamique et la masse moléculaire est moins bien définie et dépend de la structure moléculaire. En plus, à cause du comportement particulier du gel gonflé, le mécanisme de partage liquide/liquide entre la phase mobile et la phase stationnaire gonflée peut se produire et perturber les volumes d’élution. Par conséquent, la détermination des masses moléculaires dans ce domaine doit être conduite avec beaucoup de précautions, même si les conditions expérimentales semblent bien contrôlées. Cependant, des séparations qualitatives dans le domaine des faibles masses moléculaires peuvent être particulièrement utiles, par exemple pour la séparation des additifs dans les matières plastiques. Dans certains cas, cette méthode peut être utilisée d’une manière quantitative car ces types de pic sont très bien séparés du pic de polymère . Quand le jeu de colonnes est efficace exclusivement dans le domaine des faibles masses moléculaires, le but principal de l’expérience de SEC est d’énumérer le nombre de composants du mélange et d’effectuer une analyse quantitative d’au moins l’un d’entre eux. Ce type d’expérience est plus proche de la chromatographie liquide traditionnelle que de la SEC, sauf qu’ici tous les composés sont élués entre deux limites bien déterminées (V0 et V0 + Vp). Cette propriété est utilisée pour obtenir rapidement, par SEC, une estimation de la composition d’un mélange complexe, sans aucune optimisation de la phase mobile. Lorsque l’on a besoin d’une résolution très élevée pour la séparation de deux molécules très semblables, par exemple des isomères on peut augmenter énormément la résolution du système chromatographique en utilisant la technique du « recyclage » qui consiste à réintroduire automatiquement les éluats dans la pompe et la colonne à l’aide d’une vanne située à la sortie du détecteur. Cette méthode revient à accroître arbitrairement le nombre de colonnes et permet d’atteindre des efficacités extrêmement élevées.