Alternatives rentables a l'helium pour la chromatographie en phase gazeuse

Le prix de l'hélium devrait continuer de grimper même si sa disponibilité suscite désormais moins de préoccupation. Les laboratoires d'analyse continuent donc de chercher des alternatives rentables.

De nombreux laboratoires affectés par la pénurie d'hélium de 2012-2013 se sont rendus compte qu'il était possible de s'en procurer facilement en dépit des augmentations drastiques de prix ces deux dernières années. Avec la pénurie d'hélium, les laboratoires de chromatographie se sont informés sur la possibilité d'employer d'autres gaz vecteurs. Ils sont désormais plus ouverts à l'azote et l'hydrogène, dont l'utilisation est toujours plus répandue.

L'azote est considéré comme un gaz lent. Il constitue une solution de substitution à l'hélium qui est souvent écartée, bien qu'elle soit parfaitement adaptée pour différentes analyses GC. L'azote présente une vitesse linéaire optimale de 8 à 14 cms^-1 alors que celle de l'hélium est comprise entre 25 et 33 cms^-1  (Figure 1). Il convient donc d'augmenter les temps d'analyse pour conserver des performances optimales. Toutefois, si le facteur de résolution entre deux pics est assez élevé, il est possible d'analyser les prélèvements à une vitesse linéaire moyenne supérieure. Cela signifie que certains plateaux théoriques seront sacrifiés, c'est-à-dire que les pics seront plus larges.

L'hydrogène est, quant à lui, plus efficace que l'hélium à des vitesses linéaires supérieures. Il présente une vitesse linéaire optimale comprise entre 38 et 45 cms^-1 et offre donc une efficacité supérieure à celle de l'hélium. L'utilisation de l'hydrogène est donc susceptible d'augmenter la productivité des analyses. Néanmoins, il n'est pas toujours possible d'analyser un prélèvement à une vitesse linéaire supérieure car la résolution des pics est insuffisante. Si l'hydrogène disposait de la même vitesse linéaire que l'hélium, rien ne changerait au niveau des analyses, si ce n'est l'efficacité légèrement supérieure du gaz vecteur.

L'inflammabilité de l'hydrogène suscite des préoccupations tandis que la présence de bouteilles d'hydrogène dans le laboratoire présente des risques potentiels pour la santé et la sécurité. Ainsi, l'utilisation de générateurs d'hydrogène, comme d'azote, représente une méthode rentable et sûre de produire du gaz dans le laboratoire. L'hydrogène est produit par le biais de l'électrolyse d'eau déminéralisée, puis fourni par le système de distribution à la demande GC. Le générateur d'hydrogène ne contient qu'un faible volume d'hydrogène à une pression nettement inférieure à celle des bouteilles, mais il est capable d'assurer l'approvisionnement de l'ensemble du laboratoire. L'azote est produit en éliminant l'oxygène, le CO₂ et les hydrocarbures de l'air comprimé par le biais de l'adsorption à pression modulée et d'un tamis moléculaire de carbone.

Une solution standard d'alcane composée de trois constituants a été traitée dans un système GC Shimadzu 2010 avec une colonne Restek RTX-1 (30 m x 0,25 mm x 0,25 µm). Cette opération a été réalisée avec une bouteille d'hélium, ainsi qu'avec des gaz vecteurs d'hydrogène et d'azote produits par des générateurs de gaz. La température est restée constante (170 °C) tandis que les trois gaz vecteurs ont bénéficié de la même vitesse linéaire (37,5 cms^-1) afin de pouvoir observer la zone de pic, la largeur des pics, le nombre de plateaux théoriques et la résolution.

La Figure 2 montre que les résultats obtenus en un bref laps de temps sont très similaires, quel que soit le gaz vecteur utilisé. L'hydrogène et l'hélium ont généré des résultats identiques tandis que les pics de l'azote présentent un faible élargissement de la bande. La vitesse linéaire des trois gaz vecteurs avait été fixée à 37,5 cms, mais les pics d'alcane du gaz vecteur d'azote étaient légèrement en retard par rapport à l'hydrogène et à l'hélium.

Les données du tableau 2 montrent que les trois gaz vecteurs ont généré les mêmes zones de pic pour chacun des trois constituants. Le gaz vecteur n'a donc pas affecté la sensibilité. Comme prévu, la vitesse linéaire supérieure de l'azote a entraîné une baisse de l'efficacité, comme la réduction des plateaux théoriques, et donc de la résolution. Cette baisse d'efficacité a entraîné un élargissement des pics visibles sur le chromatogramme, comme indiqué dans le tableau 2.

Le mélange d'alcane affiche de nombreuses résolutions entre les pics. Il n'y a donc aucune raison de ne pas remplacer l'hélium par l'azote et l'hydrogène. L'utilisation d'azote entraîne une réduction des plateaux théoriques qui n'a aucun impact sur l'ensemble des résultats. De solides arguments préconisent l'utilisation d'azote dans le cadre de plusieurs analyses GC ne nécessitant pas une efficacité élevée.

L'hydrogène permet d'obtenir des performances très similaires à celles de l'hélium. Voilà pourquoi de nombreux laboratoires remplacent l'hélium par l'hydrogène pour leurs analyses. Ils peuvent, en effet, obtenir des performances de chromatographie similaires en remplaçant l'hélium par un autre gaz qui, abordable et disponible, est produit en toute sécurité par des générateurs d'hydrogène.

Le prix de l'hélium devrait continuer de grimper. Ces résultats prouvent donc qu'on peut utiliser des gaz vecteurs d'azote et d'hydrogène sans réduire les performances. La production de gaz via générateur assure aux laboratoires un approvisionnement constant à la demande, sans risquer d'être à court de gaz pendant la nuit ou déplacer de lourdes bouteilles.

Tableau 1 Surfaces de pics, nombre de plateaux théoriques, résolution et largeur du pic du décane, traitement de l'undécane et du dodécane avec des gaz vecteurs d'hélium, d'azote et d'hydrogène.

Figure 1. La courbe de Van Deemter montre l'efficacité de l'hélium, de l'azote et de l'hydrogène pour différents débits.

Figure 2. Le chromatogramme montre le traitement du décane, de l'undécane et du dodécane en utilisant des gaz d'hélium, d'azote et d'hydrogène.

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