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[[Image:Metrohm_850.jpg|thumb|250px|Chromatographe ionique de [[Metrohm]].]]
La [[chromatographie]] par [[Échangeur d'ions|échange d’ions]] (IC, Ion-exchange Chromatography), souvent appelée chromatographie ionique, désigne l’identification des ions à l’aide de résines échangeuses d’[[ion]]s<ref name=":0">Skoog, Holler, Nieman, ''Principes d’analyse instrumentale'', [[Bruxelles]], [[De Boeck]], 2003, {{nb p.|919}}.</ref>. Cette technique appartient aux méthodes chromatographiques qui sont largement utilisées dans tous les domaines de l’[[Chimie analytique|analyse chimique]] pour leur souplesse d’utilisation et la diversité de leurs applications<ref>J-J. Minet, V. Eudes, C. Costanza, X. Archer, M-B. Le Borgne, G. Baron, (2010), L’utilisation des méthodes chromatographiques en police scientifique, L’actualité chimique {{n°|342-343}}, p. 62-69.</ref>.

La chromatographie par échange d'ions sépare les molécules selon leurs groupes chargés respectifs. Les ions de l’[[analyte]] subissent des interactions ioniques avec des charges opposées fixées sur la [[phase stationnaire]], ce qui entraîne leur rétention. La phase stationnaire en question est constituée d'une matrice immobile qui contient des groupes fonctionnels chargés<ref>Jungbauer, Alois,, Hahn, Rainer (2009), "Chapter 22 Ion exchange chromatography" Guide to protein purification, 2nd edition. Methode in enzymology. 463. pp 349-371 </ref>.

Le développement de la technique a commencé au milieu des années 1970, lorsque l’on a découvert que des mélanges d’anions et de cations pouvaient être séparés à l’aide de colonnes [[CLHP]] (Chromatographie en phase liquide à haute performance) constituées de résines échangeuses de cations ou d’anions. A cette époque, la détection des ions était en général effectuée par des dosages conductimétriques<ref name=":0" />.

== Historique ==
À la fin des années 1960 débute le développement de la chromatographie ionique, mais application à la séparation des espèces ioniques retardée par manque d’une technique générale et sensible<ref name=":0" />.

En 1975, La chromatographie ionique est introduite par Small, Stevens et Bauman comme nouvelle méthode analytique<ref name=":1">H. Small, T.S Stevens, W.S Bauman (1975), Novel ion exchange chromatographic method using conductimetric detection, Analytical Chemistry. Vol. 47 {{n°|11}}, p. 1801</ref>.

Elle évolue rapidement dans sa détection pour aller vers une détection plus sensible des ions par leur [[conductance électrique]]. Une colonne dite suppresseur réduit chimiquement la conductance de l’éluant<ref name=":1" />. 

En 1979, Fritz {{et al.}} décrit une séparation et une détection alternative à celle de la cellule de conductivité classique. Le principe est d’utiliser des résines échangeuses d’ions de faible capacité et des [[Éluant|éluants]] à faibles teneur en ions (permettant une conductance faible)<ref>D.T Gjerde, J.S Fritz, G Schmuckler (1979), Anion chromatography with low conductivity eluents : J. Chromatogr. Vol. 186 p. 509</ref>.

À la fin des années 1970, des techniques chromatographiques ioniques ont été utilisées pour analyser les ions organiques pour la première fois<ref name=":2">Joachim Weiss (2004) Handbook of Ion Chromatography Volume 1, Weinheim : WILEY-VCH, 547p</ref>. 

En 1983 : Développement d’un détecteur ampérométrique pulsé permettant une détection très sensible des [[hydrates de carbone]], des [[Acide aminé|acides aminés]] et des composés soufrés divalents<ref>R.D Rocklin, C.A Pohl, (1983), Determination of Carbonylates by anion exchange chromatography with pulsed amperometric detection J. Liq. Chromatogr. Vol. 6 p. 1577</ref>{{,}}<ref>D.A Martens, W.T Frankenberger (1992), Pulsed Amperometric detection of amino acids separated by anion exchange chromatography J. Liq. Chromatogr. Vol. 15, p. 423</ref>.

Dans le début des années 1990, le développement des colonnes avec des sélectivités spéciales a été effectué<ref name=":2" />. 

== Principe ==
Ce [[procédé de séparation]] est basé sur des processus d'échange d'ions se produisant entre les analytes dans la [[phase mobile]] et la résine fixée sur la colonne. La chromatographie d'échange d'ions est utilisée pour séparer les anions et les cations inorganiques et organiques. La séparation des anions est réalisée avec une colonne d’échange anionique et la séparation des cations est réalisée avec une colonne d’échange cationique<ref name=":2" />.

=== Échange anionique ===
[[Fichier:Schéma de l'échange anionique.jpg|centré|vignette|500x500px|Schéma des étapes de l'échange anionique]]
Lors d’un échange anionique, une résine cationique est utilisée (étape n°1). L’ajout de l’analyte provoque le remplacement du [[contre-ion]] de la résine par celui de l’ion soluté (étape 2). Lorsque le contre-ion du site d'échange d'ions est remplacé par un ion soluté (étape 3), celui-ci est temporairement retenu par la charge fixe. Les divers ions analytes restent pendant une période différente dans la colonne en raison de leurs affinités différentes vis-à-vis de la [[phase stationnaire]], et ainsi, la séparation est provoquée. Si un échantillon avec les anions A<sup>−</sup> et B<sup>−</sup> est injecté dans la colonne, on échange ces anions par des anions compétiteurs de la colonne selon le processus d'équilibre réversible donné par les équations suivantes<ref name=":2" /> :

Résine-N<sup>+</sup>R<sub>3</sub> E<sup>−</sup> + A<sup>−</sup>  <sup>k1</sup> ⇌ Résine- N<sup>+</sup>R<sub>3</sub>A<sup>−</sup> + E<sup>−</sup>

Résine-N<sup>+</sup>R<sub>3</sub> E<sup>−</sup> + B<sup>−</sup>  <sup>k2</sup> ⇌ Résine- N<sup>+</sup>R<sub>3</sub>B<sup>−</sup> + E<sup>−</sup>

La séparation des anions est déterminée par leurs différentes affinités avec la phase stationnaire. La constante déterminant le processus d'équilibre est le coefficient de sélectivité K, qui est défini comme suivant<ref name=":2" /> :

<math>K=\frac{[X^-]_s*[E^-]_m}{[E^-]_s*[X^-]_m}</math>

[X<sup>−</sup>]<sub>m.s </sub>: [[Concentration (opération chimique)|Concentration]] des ions échantillons dans la phase mobile (m) ou dans la phase stationnaire (s).

[E<sup>−</sup>]<sub>m.s </sub>: [[Concentration (opération chimique)|Concentration]] en bicarbonate dans la phase mobile (m) ou dans la phase stationnaire (s).

=== Échange cationique ===
La réaction d'échange avec un cation M<sup>+</sup> qui se produit sur la phase stationnaire d'un échangeur cationique peut être exprimée comme suivant :

Résine-SO<sub>3</sub><sup>−</sup>E<sup>+</sup> + M<sup>+</sup> à Résine-SO<sub>3</sub><sup>−</sup>M<sup>+</sup> + E<sup>+</sup>

La séparation des cations est déterminée par leurs différentes affinités avec la phase stationnaire. La constante de sélectivité K est déterminée de la même manière que pour l’échange anionique<ref name=":2" />.

== Matériel et montage ==
[[Fichier:Schéma du montage de la chromatographie d'échange ionique.jpg|centré|vignette|600x600px|Schéma du montage de la chromatographie d'échange ionique]]

=== Principe général ===
Pour effectuer une séparation, l'éluant est tout d'abord pompé seul à travers le système jusqu'à ce que la ligne de base apparaisse stable à l’écran (quelques minutes à quelques heures selon le type de résine et d’éluant utilisé)<ref name=":2" />{{,}}<ref name=":3">James S. Fritz, Douglas T. Gjerde, (2000) Ion Chromatography, Weinheim : WILEY-VCH, 247p</ref>. L’échantillon est ensuite introduit, soit manuellement soit avec un échantillonneur automatique, dans une boucle d’injection de volume connu<ref name=":2" />{{,}}<ref name=":3" />. Une [[solution aqueuse]] tamponnée, appelée phase mobile, emmène l'échantillon de la boucle vers la colonne<ref name=":2" />{{,}}<ref name=":3" />. Celle-ci est composée d’une phase stationnaire constituée d’une résine contenant des groupes fonctionnels chargés<ref name=":3" />. Les analytes cibles (anions ou cations) sont retenus sur la phase stationnaire, mais peuvent être détachés de celle-ci en ajoutant une espèce de charge similaire dans l’éluant. Par exemple, dans la chromatographie d'échange cationique, l'analyte chargé positivement peut être déplacé en ajoutant des cations sodium (éluant). Les analytes cibles doivent alors être détectés par différents moyens, typiquement par la conductivité ou par absorbance UV / visible<ref name=":3" />.

=== L'éluant ===
L’éluant porte l’échantillon de la boucle d’injection jusqu’à la colonne<ref name=":3" />. 

L'éluant utilisé dans la chromatographie anionique contient un anion éluant, E<sup>−</sup>. Habituellement Na<sup>+</sup> ou H<sup>+</sup> sera le cation associé à celui-ci<ref name=":3" />. 

L'anion éluant doit être compatible avec la méthode de détection utilisée<ref name=":2" />{{,}}<ref name=":3" />. Pour la conductivité, la détection de E<sup>−</sup> doit avoir, soit une conductivité significativement plus faible que les ions de l'échantillon, soit être capable d'être convertie en une forme non ionique par un système de suppression chimique. Lorsqu'on utilise une détection spectrophotométrique, E<sup>−</sup> sera souvent choisi pour sa capacité à ne pas absorber dans la région UV ou visible<ref name=":3" />.

Dans une chromatographie cationique, l’éluant contient un cation E<sup>+</sup>. Ce cation doit également être compatible avec la méthode de détection utilisée<ref name=":3" />.

==== Dégazage de l'éluant ====
Le dégazage de l'éluant est important car si l'air entre dans la pompe, il peut causer sa perte. Habituellement, de l'eau dégazée est utilisée. Enfin, il est préférable de changer régulièrement les éluants pour garder leur concentration précise<ref name=":3" />.

=== La pompe ===
Le but de la pompe est de délivrer l’éluant dans la colonne à un [[Débit (physique)|débit]] fixe, qui est généralement de 1mL/min<ref name=":3" />.

Pour provoquer l’aspiration, le piston est retiré de la tête de pompe. Ensuite, ce même piston retourne dans celle-ci. L'augmentation de pression permettra alors d’ouvrir la soupape de sortie, forçant l’éluant à s’écouler vers la [[soupape]] d'injection puis à travers la colonne<ref name=":3" />. 

Il est primordial de purger la pompe afin d’éviter que de l’air n'entre dans celle-ci et ne cause sa défaillance<ref name=":3" />.

=== L'injecteur ===
L’injecteur permet d’introduire l’échantillon dans le chromatographe. Le système d'injection peut être manuel ou automatisé, mais tous deux reposent sur une soupape d'injection. Celle-ci est conçue pour introduire l'échantillon dans la boucle d’injection<ref name=":2" />{{,}}<ref name=":3" />. 

La variation de volume est généralement inférieure à 0,5 % de précision d’une injection à une autre<ref name=":3" />. La boucle peut être partiellement remplie (injection de boucle partielle) ou complètement remplie (injection de boucle complète). Si une injection en boucle partielle est utilisée, la boucle ne doit pas être remplie à plus de 50 % de son volume total sinon l'injection pourrait ne pas être précise. Dans l'injection de boucle complète, l'échantillon est poussé complètement à travers la boucle<ref name=":3" />. La taille de la boucle est comprise entre 5 et 200 μL<ref name=":2" />{{,}}<ref name=":3" />. Normalement, on utilise au moins le double du volume d’échantillon voulu pour remplir la boucle afin de s’assurer que celle-ci soit bien pleine. L’excès d’échantillon part ensuite au déchet<ref name=":3" />. 

L'injection de l'échantillon est réalisée en tournant la soupape ce qui entraîne le contenu de la boucle d'injection dans le courant d'éluant<ref name=":3" />.

Les vannes d'injection nécessitent un entretien périodique et doivent généralement être entretenues après environ {{nombre|5000|injections}}<ref name=":3" />.

=== La colonne ===
Les anions sont séparés dans une colonne composée d’une résine échangeuse d'anions. De même, les cations sont séparés dans une colonne contenant une résine échangeuse de cations. Les principes de séparation des anions et des cations sont décrits dans le principe. 

Les colonnes IC sont généralement faites de [[PEEK]] (PolyEtherEtherKetone, PolyEtherEtherCetone). La taille de colonne typique utilisée en chromatographie ionique est de {{dunité|150|4.6|mm}} bien que des colonnes comprises entre 10 et 250 mm<ref name=":2" />{{,}}<ref name=":3" /> avec un diamètre de particules de 5 ou 10 μm soient également utilisées<ref name=":3" />.

La séparation est basée sur les différences dans l'équilibre d'échange des différents ions analytes avec la résine<ref name=":2" />. Ainsi, si l'ion analyte A1<sup>−</sup> a une affinité inférieure pour la résine à celle de l'ion A2<sup>−</sup>, alors A1<sup>−</sup> se déplacera à un rythme plus rapide à travers la colonne<ref name=":3" />.

La colonne peut être contenue dans un four pour contrôler les conditions et optimiser les séparations<ref name=":3" />.

==== Les résines ====
Les échangeurs d'anions peuvent être constitués de [[polymère]]s tels que du [[polystyrène]], de l’éthylvinylbenzène ou du métacrilylate copolymérisés avec le divinylbenzène<ref name=":2" /> ou de [[Dioxyde de silicium|silice]] fonctionnalisés avec des groupes échangeurs d’ions. Bien que de nombreux types d'échangeurs d'anions soient disponibles pour la chromatographie, le type "base forte" avec des groupes fonctionnels d'ammonium quaternaire est le plus courant. Les contre-ions sont principalement des groupes chlorure<ref name=":3" />.

Les groupes ammonium quaternaire sont chimiquement liés aux résines tandis que les groupes chlorure sont capables de subir un échange d'ions avec d'autres anions<ref name=":3" />.

Un échangeur de cations sera généralement fonctionnalisé avec des groupes chargés négativement tels que des groupes sulfonates, carboxylates ou phosphonates<ref name=":2" />.

=== Détecteur et suppresseur ===
Le détecteur le plus courant et le plus utilisé pour la chromatographie ionique est le détecteur de [[conductivité]]. Cependant, les détecteurs spectrophotométriques et autres (UV/vis, fluorescence, ampérométrie…<ref name=":2" />) peuvent également être très utiles<ref name=":3" />.

==== Détecteur de conductivité ====
La conductivité est la capacité d'une solution contenant un sel à conduire de l'électricité à travers deux électrodes<ref name=":3" />. La capacité de la solution à conduire est directement proportionnelle à la teneur en sel et à la mobilité des anions et des cations<ref name=":3" />. Les substances moléculaires telles que les [[Solvant|solvants]] (eau, méthanol) n'entraînent pas l'électricité et ne sont donc pas détectées par le détecteur<ref name=":3" />. 

En raison de sa sensibilité élevée et de sa capacité à réduire le bruit de fond, la forme la plus commune de détection de conductivité est avec l'utilisation d’un suppresseur. Le suppresseur chimique fournit un moyen simple de réduire la conductance de fond de l’éluant et, en même temps, d’améliorer la conductance des ions analytes<ref name=":2" />{{,}}<ref name=":3" />. Après la colonne, une seconde colonne d’échange d’ions est placée, il s’agit du suppresseur. Pour l’analyse anionique, l’ion de l’éluant est anionique, c’est donc une colonne d’échange de cations H<sup>+</sup> qui est utilisée. Les réactions de suppression anionique sont les suivantes<ref name=":3" /> :

Éluant : 

NaOH (Forte conductivité) + RSO<sub>3</sub>H  à H<sub>2</sub>O (faible conductivité) + RSO<sub>3</sub>Na

Analyte :

NaX (conductivite moyenne) + RSO<sub>3</sub>H à HX (forte conductivité) + RSO<sub>3</sub>Na

L'éluant de base (OH<sup>−</sup>) est neutralisé par H<sup>+</sup> de l'échangeur de cations (suppresseur). Le contre-ion de l’analyte (Na<sup>+</sup> X<sup>−</sup>) est converti en contre-ion hydrogène plus conducteur (H<sup>+</sup> X<sup>−</sup>). La conductance de l'éluant entrant dans le détecteur est donc très faible car pratiquement tous ses ions ont été éliminés par l'unité de suppression<ref name=":3" />.

Le détecteur est connecté à un dispositif d'acquisition de données de sorte qu'un diagramme de séparation (signal en fonction du temps) peut être tracé automatiquement. La lecture de la conductance G est donnée en Siemens (S), ou plutôt en microSiemens (μS) car les solutions sont généralement diluées<ref name=":3" />.

Cependant, un acide faible avec un pKa supérieur à environ 6 ne pourra pas être détecté avec un détecteur de conductivité muni d’un suppresseur parce que tous les anions seraient convertis en acide par celui-ci. Pour la détection de sels d'acides faibles, il faut des détections par conductivité sans suppresseur<ref name=":3" />.

Ainsi, la détection directe d’ions est également possible par chromatographie ionique à colonne unique.

Son fonctionnement est basé sur la mesure des petites différences de conductivités qui existent entre les ions cibles et les ions de l’éluant. Pour amplifier ces différences, on utilise des échangeurs à faible capacité, ce qui permet d’utiliser des solutions diluées d’éluant. De plus, on choisit des éluants qui ont une faible conductivité<ref name=":4">Skoog, West, Holler, Crouch, (2015) Chimie analytique. Bruxelles : De Boeck, 1049p</ref>.

La chromatographie ionique à colonne unique offre l’avantage de ne pas nécessiter d’équipement spécial de suppression. Toutefois, dans le cas du dosage des anions, cette méthode est moins sensible que celle utilisant une colonne de neutralisation<ref name=":4" />.

=== Système Data et interprétation des résultats ===
Les résultats de la séparation chromatographique sont généralement affichés sur un ordinateur. Le chromatogramme obtenu indique le signal en fonction du temps. Les temps de rétention sont utilisés pour confirmer l'identité du pic inconnu par rapport à un étalon. La surface du pic inconnu est généralement comparée à une droite d’étalonnage préalablement réalisée avec des étalons de concentrations connues<ref name=":3" />.

== Applications ==
La chromatographie ionique convient pour l'analyse des anions et des cations qu’ils soient inorganiques ou organiques. Le grand nombre d'applications citées ci-dessous illustre la polyvalence de cette méthode<ref name=":5">Joachim Weiss (2004) Handbook of Ion Chromatography Volume 2, Weinheim : WILEY-VCH, {{p.|549-839}}</ref>.

La chromatographie ionique est devenue un outil indispensable pour le chimiste analytique, en particulier dans le domaine de l'analyse anionique<ref name=":5" />.

Dans de nombreux cas, cette méthode a remplacé les méthodes chimiques humides conventionnelles telles que la titration, la gravimétrie ou encore la colorimétrie, qui sont toutes laborieuses, fastidieuses et parfois sujettes à des interférences<ref name=":5" />. 

Dans le domaine de l'analyse des cations, elle est attrayante en raison de sa détection et de sa sensibilité. Elle fournit un complément bienvenu aux méthodes de spectrométrie atomique telles que AAS ([[Spectrométrie d'absorption atomique|Spectroscopie d’absorption atomique]]) et ICP ([[spectrométrie à plasma à couplage inductif]])<ref name=":5" />.

Les applications de chromatographie ionique sont principalement dans les domaines suivants : [[Analyse chimique environnementale|analyse environnementale]] (air, sol et eau), chimie des [[Centrale électrique|centrales électriques]], industrie des [[Semi-conducteur|semi-conducteurs]], aliments et boissons, [[galvanoplastie]], produits pharmaceutiques, [[biotechnologie]], ou encore l’agriculture<ref name=":0" />{{,}}<ref name=":5" />.{{Palette|Chromatographie|Séparation et purification des protéines|Applications des échangeurs d'ions}}

== Notes et références ==
{{Références}}

{{Portail|biochimie|chimie}}

[[Catégorie:Chromatographie|echange d'ions]]