Le mélange à analyser est introduit au moyen d'une seringue dans un premier four chauffé aux environs de 280°C : la chambre d'injection. Le mélange se volatilise dans la chambre et passe dans le circuit sous forme de gaz : c'est pourquoi on parle de chromatographie en phase gazeuse. Les échantillons doivent donc être volatils ou volatilisables ; le plus souvent, ils nécessitent d'être préparés avant l'analyse pour remplir cette condition. Le mélange gazeux est ensuite entraîné par le gaz vecteur dans le four principal et pénètre dans la colonne chromatographique. La colonne est l'élément séparateur : elle est constituée d'un long tube de silice (environ 30 m), d'un très faible diamètre (moins d'un demi millimètre), enroulé sur lui même, et dont la paroi intérieure est recouverte d'une mince couche séparatrice. En passant dans la colonne, les constituants de l'échantillon interagissent avec cette couche : en fonction des affinités chimiques qu'ils ont avec elle, ils sont retenus plus ou moins longtemps dans la colonne. Une analyse est bien menée lorsque les molécules introduites ensemble sortent successivement de la colonne. La détection d'un type de molécules en sortie de colonne produit un pic sur le chromatogramme. Le chromatogramme est un diagramme qui présente sur l'axe horizontal le temps passé dans la colonne (temps de rétention) en fonction de l'intensité du signal sur l'axe vertical.
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