Comment fonctionne la chromatographie ?

Séparer des mélanges de substances : voilà en quoi consiste la chromatographie. Dans ce procédé d’analyse, le principe est de diviser un mélange liquide ou gazeux en ses différents constituants afin de pouvoir les identifier séparément ensuite.

Chromatographie à la maison : quelle couleur se cache vraiment dans ton feutre noir ?

Dès l’école maternelle, une expérience simple est volontiers réalisée (volontairement ou, parfois, involontairement) à ce sujet. Une tache noire est coloriée sur une feuille de papier à l’aide d’un feutre. Le papier est ensuite placé dans un verre d’eau, en veillant à ce que la tache reste au-dessus du niveau d’eau. L’eau monte le long du papier et, en l’espace de quelques minutes, la tache bave et forme des traînées multicolores sur le papier. Celles-ci révèlent les différentes couleurs contenues dans le feutre.

Si tu souhaites réaliser toi-même la chromatographie d’un feutre, la vidéo suivante peut te servir de guide: Séparez les colorants d’un marqueur !

Effet de capillarité

Que se passe-t-il exactement ? Les colorants qui se trouvent dans le feutre (et sur le papier ensuite) sont solubles dans l’eau. L’eau monte le long du papier par capillarité. Effectivement, lorsque l’on regarde de près, le papier se compose d’une myriade de petits tubes. Dans ces petits tubes (les capillaires), l’eau peut monter même en sens contraire de la gravité en raison de sa tension superficielle. Dès le départ, cet effet rend le papier ou une éponge très absorbants. En grimpant via les capillaires, l’eau emporte avec elle les colorants. Cependant, les colorants ne sont pas tous entraînés à la même vitesse : certains migrent plus vite, d’autres plus lentement. Pourquoi ?

Séparation en fonction de la taille

Les colorants sont des molécules de complexité et de forme variables. Certaines adhèrent au papier pendant un certain temps avant d’être emportées par l’eau un peu plus tard. D’autres restent moins longtemps accrochées et quittent donc plus rapidement leur emplacement d’origine (la tache de couleur). On peut comparer cela, par exemple, à la façon dont un mélange composé de petits enfants vifs et d’adultes pesants se déplacerait lors d’un parcours d’obstacles : les enfants, trépidants, franchiront la ligne d’arrivée bien avant leurs parents.

Phase mobile et phase stationnaire

La couleur des feutres n’est pas la seule chose qui peut être séparée grâce à ce procédé - bien d’autres mélanges chimiques peuvent l’être. Pour étudier les composants d’une substance à l’aide de la chromatographie, plusieurs ingrédients sont requis. D’abord, la substance doit être rendue mobile par l’emploi d’un solvant. Pour l’enseignement, l’eau déjà mentionnée convient comme solvant. Le solvant et la substance à étudier qu’il emporte avec lui sont appelés « phase mobile » en chromatographie. La phase mobile doit se déplacer sur un support fixe, la « phase stationnaire ». Dans l’exemple ci-dessus, la phase stationnaire correspond au papier. Dans la phase stationnaire, les composants de la substance chimique sont ralentis plus ou moins fortement selon la taille et la forme de leurs molécules, et parfois d’autres caractéristiques, telle la charge électrique.

Diverses sortes de papier constituent des phases stationnaires de qualité et bon marché pour les expériences en milieu scolaire. Lorsque les composants de la substance à séparer révèlent des couleurs différentes, il est possible de bien les distinguer et les identifier sur le papier - d’où le nom du procédé : traduit littéralement, chromatographie signifie « écriture avec des couleurs ».

Une séparation plus précise avec le bon laps de temps

Plus la chromatographie dure longtemps, plus les composants sont transportés loin. Et les différences entre les composants peuvent être repérées de manière d’autant plus nette et précise. Le déplacement peut être arrêté (fixé) par séchage de la phase mobile. En analyse de laboratoire, il existe toute une variété de types de chromatographie. Ceux-ci reposent sur des phases stationnaires et des solvants adaptés aux problématiques - des gels spéciaux jusqu’aux gaz.

Chromatographie sur gel : séparation de biomolécules

Dans la chromatographie (ou filtration) sur gel, un tube est rempli de gel et mis en position verticale. Il sert de phase stationnaire. Sur ce gel est versé l’échantillon à étudier - souvent un mélange de protéines de différentes tailles. La substance migre vers le bas de la colonne dans un solvant employé comme phase mobile.

Les protéines les plus grosses quittent le tube en premier car elles ne peuvent pas pénétrer dans les pores de la matrice de gel. Les plus petites protéines sont ralenties par les molécules du gel et mettent plus de temps à atteindre la sortie du tube. Arrivées au bas du tube, les protéines sont soit immédiatement identifiées par un détecteur, soit rassemblées dans un petit récipient, le récipient étant remplacé à intervalles réguliers. De cette manière, l'échantillon à analyser est divisé en plusieurs échantillons individuels, chaque échantillon individuel contenant des protéines d'une certaine taille. En utilisant les bons gels, il est ainsi possible de séparer des protéines en fonction de leur taille dans une vaste plage allant de quelques centaines à plusieurs millions d’atomes. Cette méthode convient donc très bien pour différencier les très grosses molécules appelées biomolécules.

Chromatographie en phase gazeuse : déceler les plus petites traces

Dans la chromatographie en phase gazeuse, l’échantillon est vaporisé (phase mobile) et comprimé dans un long tube fin. Celui-ci est garni d’une substance (phase stationnaire) qui retient plus ou moins longuement les différentes molécules de l'échantillon. Un détecteur placé à l’extrémité du tube mesure le nombre des molécules qui arrivent par unité de temps - séparées une nouvelle fois par type de molécule. Le gaz de la phase mobile, sa température ainsi que la phase stationnaire sont sélectionnés selon le type des molécules à étudier. La chromatographie en phase gazeuse convient très bien pour déceler des traces de molécules dans un mélange, ce qui peut être utile par exemple pour dépister des substances dopantes interdites dans l’urine de sportifs ou pour contrôler des denrées alimentaires. Si la traversée des molécules détectées dans le tube a été chronométrée, alors il est très facile de déterminer quelles substances se trouvent dans l’échantillon en comparant avec les tableaux des substances standard.

Pour une explication détaillée, visionne cette vidéo.

Auteur : texte et illustrations: scienceRELATIONS
Edition: Michelle Schaltz (FNR)