Le SDectrometre Raman comme Detecteur Seleitif de la Chromatographie en Phase Liquide

Andre Chapput et Bernard Roussel Laboratoire de Spectrochimie IR et Raman, CNRS, UniversitC des Sciences et Techniques de Lille I, BLt. C5, 59655 Villeneuve D’Ascq CCdex, France

Jacques Montastier Instruments SA Division Jobin Yvon, Departement Chromatographie, 16-18 rue du Canal, 91 160 Longjumeau, France

The purpose of this work is to show that it is possible to use microcells in Raman spectroscopy to detect chemical species in various solvents at low concentrations in order to connect a liquid chromatograph with a Raman spectrometer. Several methods are described in static as well as in dynamic processes.

INTRODUCTION

La spectromktrie Raman s’avkre de plus e n plus comme une technique analytique trks utile pour la dktection d’espkces ioniques et molkculaires en solution dans diffCrents solvants et en particulier dans I’eau. C’est de plus une mCthode directe de dktection et d’identification des molCcules. Bradley et Frenzel’ ont dCtectC le ben- zkne dans I’eau i des concentrations de l’ordre de 50 ppm, et Baldwin et Brown’ et Cunningham et al.’ ont montri que des anions inorganiques pouvaient 6tre dCcelCs i des concentrations de l’ordre de quelques ppm dans des conditions idCales. Rappelons que la spec- troscopie de masse identifie seulement des fragments de molkcules, tandis que la spectroscopie infrarouge ne constitue pas une bonne technique d’analyse lorsque le solvant utilisC est I’eau.

Par contre, en spectroscopie Raman, I’eau prCsente tr&s peu de bandes et les bandes du solutk ne pourront 6tre masqukes. Un autre avantage de cette technique est la simplicitk de I’kchantillonnage car dans le domaine du visible, le verre est parfaitement transparent.

La chromatographie en phase liquide analytique est une technique tr&s sensible qui permet la skparation d’espkces chimiques d’un mClange. Le couplage des deux techniques doit permettre de skparer et d’identifier simultankment A partir de leurs spectres Raman les divers composants en solution.

La faible quantitk des produits inject& dans la colonne nkcessitant, au prbalable, I’Claboration de microcellules et I’amClioration des conditions d’kclairement de I’kchantillon au niveau de la platine du spectromktre, nous montrons que I’utilisation de cellules i circulation de faible volume interne permet quand m&me la dktection par spectromCtrie Raman de produits 2 l’ttat de trace. Ce travail constitue une Ctape prCli- minaire indispensable avant toute Ctude de couplage d’un chromatographe en phase liquide analytique et d’un spectromktre Raman.

Les spectres Raman sont mesurks ii I’aide d’un double monochromateur Ramanor HG2, d’un laser A argon

ionisk Spectra-Physics donnant une puis2ance de 500 mW au niveau de I’Cchantillon 5145 A et d’un photomultiplicateur RCAC 3 1034A refroidi dont la sensibilitk est de 1300 pA Imp’.

La lumikre diffuske par les solutks trks diluts est trks faible et nous employons deux mkthodes pour accroitre cette intensitk. La premikre mkthode consiste A multi- plier le nombre de passages du faisceau laser dans I’kchantillon; ceci peut Ctre rkalisk de deux manikres:

(a) a l’aide de miroirs sphCriques concaves4 (f= 150mm) qui renvoient et focalisent un grand nombre de fois le faisceau laser (Fig. l(a));

(b) B l’aide de miroirs en toit et de lentilless if= 250 mm) (Fig. l(b)).

Le premier dispositif, facile d’emploi, focalise en deux endroits, ce qui nkcessite une cuve d’un diamktre assez important. Plus difficile 2 aligner, le deuxikme prCsente l’avantage de n’avoir qu’un seul foyer, ce qui est un intCrCt certain lorsqu’on utilise des cellules de faibles sections.

* f = 380 mm

( b ) Monochrornoteur

t Laser -

LZ

Figure 1. (a) Multipassage a miroirs spheriques, fM , = fM, =

150 mm. (b) Multipassage a miroirs en toit et lentilles, fL, = fL7= 250 mm.

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CCC-0377-0486/80/0009-0193 $02.50 JOURNAL OF RAMAN SPECTROSCOPY, VOL. 9, NO 3, 1980 193

A. CHAPPUT, B. ROUSSEL ET J. MONTASTIER

Dans les deux cas, le faisceau laser est prtalablement focalist aux foyers des systkrnes et la direction d’obser- vation est perpendiculaire 1 leur axe optique. Le gain apportC par de tels montages est d’environ 10 par rapport 5 un simple faisceau focalis6 dans 1’Cchantillon.

La seconde mCthode permettant d’accroitre le signal est de collecter davantage de lumikre diffusCe en utilis- ant un objectif de transfert a grande ouverture et fort grossissement. Celui-ci va extraire la lumikre sous un angle solide important et son fort grossissement va permette de travailler sur une petite quantitC d’Cchan- tiilon. L’objectif utilisC posskde une focale de 25 mm et une ouverture de 0,95. I1 a CtC nCcessaire de placer une lentille de couplage entre I’objectif et le spectromktre pour rendre compatibles les ouvertures de chacun des dispositifs optiques. Le grandissement atteint est d’environ 10, ce qui permet l’emploi de cellules dont la partie utile n’exckde pas 2 mm.

L’utilisation conjointe du second multipassage et de I’objectif de grande ouverture permet d’utiliser des cuves de petites dimensions que nous allons maintenant dtcrire.

Les cellules que nous avons mises au point rtpondent 1 trois impiratifs: elles ont quatre faces situCes sur deux directions peryendiculaires, elles sont de f aibles volumes et elles sont 1 circulation pour Cviter l’kchauffement de 1’Cchantillon par le faisceau laser.

Trois types de cellules ont C t C envisagkes:

Un tube capillaire de 1 mm de diamktre inter- ieur disposC dans le S ~ I I S du faisceau laser et dont les extrEmitCs sont fermkes par deux lames B faces parallkles. L’CtanchCitk est assurCe par deux joints permettant la circulation (Fig. 2(a)) et son volume est infCrieur 1 10 ~ 1 . Un tube capillaire disposC perpendiculairement au plan form6 par les directions d’Cclairement et d’extraction de la lumikre. Le diamktre intkrieur du tube est 2 mm. I1 est suffisant pour que la trace du faisceau laser dans I’kchantillon couvre la totalit6 de la fente d’entrCe du spectromktre. Son volume est d’environ 15 ~ 1 . La circulation se fait en raccordant deux tubulures en tCflon aux extrtmites du capillaire (Fig. 2(b)). Une cellule 1 quatre faces planes dCmontables, d’un volume de 15 pl (Fig. 2(c)). Cette cuve prCsente l’avantage d’Climiner la lumikre parasite due aux impacts du faisceau laser sur les fenetres d’entrke eY de sortie et c’est cette dernikre que nous avons choisie d’utiliser pour nos expCriences.

~~

EXEMPLES D’APPLICATION

Le Tableau 1 rCsume les rksultats obtenus avec le sulfure de carbone dans le mkthanol, le thiophkne dans le benzkne, le 2-nitrophknol (2 NP) et les 2,4- et 2,5- dinitrophCno1 (DNP) dans I’eau,6 ainsi que le 4-arsonate 4’-dimCthylaminoazobenzkne en solution aqueuse,

Les Figures 3(a) et 3(b) montrent les spectres Raman du 2,5-DNP dans l’eau obtenus 1 diffkrentes concen- trations.

(CH3)2 - N - (lr -N = N - 9- AsO~H- (Y).

( a ) Monochromateur

/ \ Face plane Capillaire

( b ) h Laser 4 - -

Wircu la t ion

(C) Monochromateui

Laser 3

Faces planes Joints

Figure 2. (a) Microcellule a capillaire et faces planes. (b) Micro- cellule a capillaire. (c) Microcellule a quatre faces planes.

Remarques

I1 est 1 noter que le 4-arsonate 4’-dimCthylamino- azobenzkne est un cas particulier. En effet, cet Cchantillon est jaune et nous bCnkficions du phCnom6ne de rtsonance avec les niveaux Clec- troniques. L’excitation dans une bande d’absorp- tion Clectronique provoque une exaltation des raies Raman. Le 2-NP a une bande d’absorption 1 350 nm. En milieu basique le maximum se dCplace vers 414 nm, soit au voisinage de la longueur d’onde d’excitation 488 nm du laser. Pour Cviter le

Tableau 1

Resultats Solutions obtenus

CS2/CH30H 12,5 p g ml-’ Thiophene/C6H6 5 p g ,I-’ 2-NP/H20 1 p g ml-’ 2.5-DNP/H20 0,7 p g ml-’ 2,4-DNP/H20 0,7 pg ml-’ YIH20 70 ng ml-’

Limite Quantite possible de Raie carac- lirnite dans detection teristique 15 pl

0,5 p g ml-’ 650 cm-’ 8 ng 0.2 pg ml-’ 1380 cm-’ 3 ng 0,5 pg ml-’ 1338 cm-’ 7,5 ng 0,2 pg ml-’ 1350 cm-’ 3 ng 0,5 bg ml -’ 1350 cm-’ 7.5 ng 5 ngml- ’ 1635cm-’ 8 p g

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LA SPECTROMETRE RAMAN COMME DETECTEUR SELECTIF EN PHASE LIQUIDE

- 1200 1400

& ( e ) 3,6 x 10-6~. 10 ng dans I5 pk

A ( d ) 7 . 2 x 1 0 ~ ~ ~ , 2 0 n g d a n s 1 5 p I & ( c ) I .8 x IO+r ,49 ng dans 15pI

- 1300 1400

Figure 3. (a) Spectre Raman de la region ~200-1500cm-’ du dinitrophenol dans I‘eau. (b) Raie 1355 cm- caracteristique du dinitroDhenol.

phknomkne de rksonance, nous nous sommes placks assez loin de cette bande d’absorption en utilisant la raie 5 1 4 3 nm et en dissolvant cet kchantillon dans I’eau; dans ce cas, le pH est de 4,4 et le maximum d’absorption reste a sa valeur initiale.

I1 apparait donc que le champ d’application de la spectromktrie Raman peut dksormais s’ktendre a la dktection de produits contenus a I’ktat de traces dans des microkchantillons. Un inconvknient toutefois A cette mkthode: les solvants vont donner un spectre Raman d’autant plus intense par rapport au spectre du solutk que ce dernier sera en faible concentration. I1 y aura donc une limitation B I’emploi de cette mCthode spec- troscopique: elle ne sera en effet valable que pour des couples solvant-solutk pour lesquels le solutC aura des raies dans des fenctres oti le solvant ne prksentera pas de bandes trop intenses. On peut pallier cet inconvknient en soustrayant le spectre du solvant.

La mise au point de microcellules a circulation ainsi que I’amklioration du mode d’tclairement et de dCtec- tion des signaux faibles nous a conduits a coupler un chromatographe en phase liquide analytique A un spec- tromktre Raman pour dktecter et identifier les diffkrents composks des fractions sCparkes.

Aprks une premikre skrie d’expkriences consistant 1 recueillir chaque fraction et A I’analyser skparkment, nous avons couplk la sortie de la colonne du chromato- graphe au spectromktre Raman et utilisk ce dernier comme dktecteur de trois manikres diffkrentes.

Le chromatographe en phase liquide analytique est le modkle LC50 A pression modCrke commercialisk par Jobin Yvon et dot6 de colonnes permettant de travailler en adsorption sur d i c e type Spherosil XOA 600 ou XOA 800. La cellule a circulation est placke au foyer du systkme 2 passage multiple dans la platine conven- tionelle du spectromktre.

Dans la premikre skrie d’expCriences que nous avons effectukes, il n’y a pas de couplage entre le chromato- graphe en phase liquide analytique et le spectromktre Raman. Aprks passage sur un dktecteur UV classique, nous recueillons chaque fraction que nous identifions skparkment grBce a son spectre Raman. Nous pouvons ainsi caractCriser des fractions contenant quelques ppm de solutk, ce qui correspond pour nos cellules de 15 pI a

quelques nanogrammes de produit. Nos essais ont port6 sur la raie 1384cm-’ de la dimkthylnitr~soamine~ en solution aqueuse. La limite de ditection obtenue est d’environ 10 mg I-’.

Lors du couplage, nous avons utilisk le spectromktre Raman comme dCtecteur de trois manikres diffkrentes.

Utilisation du spectrometre Raman comme detecteur classique

La cellule est relike a la colonne et le spectromktre est calk sur la frdquence caractkristique du produit recher- chC ou sur une frCquence moyenne dam le cas oc l’on ktudie une famille de composCs ayant leurs friquences proches les unes des autres (quelques cm-I).

Les Figures 4(a) et 4(b) prksentent les spectres Raman et les chromatogrammes des ortho-, rnita- et para- nitroaniline dans le chloroforme. Les raies Rainan sont a 1350 et 1364 cm-’ pour I’ortho-nitroaniline, 1360 cm-’ pour la rne‘ta-nitroaniline et 1340 cm-’ pour la para- nitroaniline.

Quand on cale le spectromktre sur 1360 cm-’, seuls les pics des ortho- et rnkta-nitroaniline sont visibles: quand on le cale sur 1350 cm-’, on retrouve les pics de chacun des composts.

La Figure 5 prksente le chromatogramme obtenu lors de la skparation du benzkne et de l’anthrackne dans le tktrachlorure de carbone. Dans ce cas il a fallu dCplacer la frkquence du spectromktre de 992 cm-’, raie carac- tkristique du benzkne, i 1405 cm-’ qui est celle de l’anthrackne.

L’inconvknient de cette mkthode rCside dans la nkcessitk d’avoir des pics bien stparks pour pouvoir

I 0 -

1300 1400 1300 1400 I300 t400

Nitroaniline 6 1350 cm-’ pic I fluorescence pic 2 0-nitrwniline pic 3 m-nitroaniline

Injection pic 4 p-nitroaniline

colonne XOA 800 solvont CHCI, & 5 rnin debit 0,5 rnl rnin-’

0

Nitroaniline a 1360 cm-’ pic I fluorescence pic 2 o-nitroaniline pic 3 m-nitroaniline

lnjec$

0 5 min

Figure4. (a) Spectres Raman 1200-1400 cm-’ des (1) ortho-, (2) meta-, (3) para-nitroaniline. (b) Chromatogrammes des ortho-, meta- et para-nitroaniline.

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A. CHAPPUT, B. ROUSSEL ET J. MONTASTIER

n ( 0 )

Injection 6 0 5 10 rnin

Colonne XOA 600 debit 0,l rnl rnin-‘ I, benzene 2, trnthrocene solvont CCI4

L n

0 5 10 min

Figure 5. Separation benzene-anthracene.

dtplacer le spectromirtre d’une frCquence B une autre. On remarque tgalement une diffkrence du fond de diffusion du solvant d’une raie B I’autre.

Realisation d’un balayage en frequence apres arrkt de I’ecoulement dans la colonne

Quand on parvient au sommet d’un pic sur le chroma- togramme, on arrgte la circulation du liquide vecteur et on balaie la raie. Si la circulation du liquide vecteur est bien arr t t te et si les divers raccords prksentent un volume mort suffisamment faible, il ne se produit aucune perturbation dans la sCparation en cours. Sur la Figure 6 sont indiquees l’arrgt de la colonne en haut du pic, I’exploration de la raie 992 cm-’ du benzirne et la rtouverture de la colonne.

La possibilitk de balayer la raie permet de vCrifier que le produit CluC est bien unique; si ce n’est pas le cas, il est possible de la sCparer artificiellement. Par exemple, le naphtalirne et l’anthracirne en solution dans CCI4 ne sont pas sCparCs dans certaines conditions (Fig. 7(a)) mais I’enregistrement du spectre dans le pic montre deux raies correspondant aux deux composants (Fig. 7(b)).

Des enregistrements effectuks B diffCrents moments le long d’un pic prbsenteront des variations d’intensitt relative des deux raies qui seront fonction des propor- tions de naphtalirne et d’anthradne A cet instant.

3 2 1 c)

3 m m ’ l 0 2 0 970 2 i 0

Figure 6. (1) Arr2.t de la colonne; (2) exploration de la raie Raman dans le pic; (3) reouverture de la colonne.

( b , Naphtalene Anthracene

1393 1405 crn-l

Figure 7. (a) Chromatogramme du naphtalene et de I‘anthracene dans CCI4. (b) Spectre Raman enregistre dans le pic de chromatographie.

Realisation d’un balayage spectral en ecoulement continu

Nous dkterminons un intervalle spectral qui sera balayC de faCon rCpCtitive’ avec enregistrement des spectres des composis en Ccoulement continu trirs lent (0,2 ml min-I). De cette faCon, il est possible de carac- tCriser tous les composCs prksenrs dans la cellule et possCdant une raie dans le domaine choisi. La grande vitesse d’exploration des diffCrents ClCments spectraux diminue la sensibilitC et les spectres obtenus par cette mCthode s’accompagnent d’un rapport signal/bruit assez faible.’ I1 est nCanmoins possible d’y remkdier en accumulant tous les spectres lors du passage du produit dans la cellule.’

Sur la Figure 8, l’enregistrement du domaine spectral 900-1570 cm-’ a CtC effectuk lors de la siparation d’un mClange 5 1% de benzkne et d’anthradne B parts Cgales dans le thtrachlorure pour des temps d’Clution allant de 2 rnin 40 s B 4 rnin 20 s. Chaque spectre est pris en 4 s (soit 3 pour le spectre et 1 s pour le retour du balayage cyclique). 3min aprirs l’injection on voit la raie du benzitne (notCe (b)) alors que vers 4 rnin c’est celle de I’anthracitne (notCe (a)) qui apparait. Le domaine explorC est de 670 cm-’, ce qui correspond B une vitesse de balayage de 13 400 cm-’ m K ’ .

Des trois techniques de dktections utilisCes c’est la dernikre qui donne le plus de renseignements avec un

Colonne X OA 800 %bit 0,21711 r n K

1, -; , , y , , , , , , , , , , , , , , 2 rnin 50 s 3 min

- . I - , , I I , , , I 1 , I , I , , , 4 rnin 4 rnin 10s

Figure 8. Balayage cyclique de la region 900-1570cm-’ en- registre lors de la separation en regime continu du benzene et de I’anthracene: (a )anthracene, (b) benzene.

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LA SPECTROMETRE R A M A N COMME DETECTEUR SELECTIF EN PHASE LIQUIDE

minimum d’interventions au cours de la &paration. L’avantage de cette technique se trouve ici bien illustrC puisque sans connaitre a priori une frCquence propre du compost5 et en dklimitant un intervalle spectral suffisant pour rechercher une raie caractiristique (celle d’un groupement fonctionnel par exemple), nous sommes A msme d’observer cette bande et de voir son Cvolution au COurS du temps- Bien qu’un domaine spectral de Ce travail a t t t effectut dans le cadre du Contrat DGRST ‘Instruments 700 cm-’ impose, compte tenu du temps de ritention

dans la colonne, une vitesse d’enregistrement rapide, nous pouvons encore obtenir par accumulation des spectres prksentant un rapport signal/bruit acceptable.

Remerciements

de Mesure’ NO. 77.7.0117.

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