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Spectrométrie de masse

La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse monoisotopique. De plus, la spectrométrie de masse permet de caractériser la structure chimique des molécules en les fragmentant.
Son principe réside dans la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse de molécules chargées (ions) en fonction de leur rapport masse/charge (m/z). La spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse...) est utilisée dans pratiquement tous les domaines scientifiques : physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...), astrophysique (L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (étoiles, planètes, galaxies,...), chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs...) en phase gazeuse, chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.), dosages, biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de...), médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et...)...

Structure d'un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par...) de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...)

Schéma de la structure d’un spectromètre de masse : exemple d'un spectromètre de masse à secteur magnétique associé à une source d'ionisation d'impact électronique
Schéma de la structure d’un spectromètre de masse : exemple d'un spectromètre de masse à secteur magnétique associé à une source d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant...) d'impact électronique

Le spectromètre de masse, initialement conçu par le britannique Joseph John Thomson, comporte une source d'ionisation suivie d'un ou plusieurs analyseurs qui séparent les ions produits selon leur rapport m/z, d'un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) qui compte les ions et amplifie le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...), et enfin d'un système informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport...) pour traiter le signal. Le résultat obtenu est un spectre de masse représentant les rapports m/z des ions détectés selon l'axe des abscisses et l'abondance relative de ces ions selon l'axe de ordonnées.

Le spectromètre de masse se compose donc de quatre parties :

  • Le système d’introduction de l’échantillon : l’échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) peut être introduit directement dans la source, sous forme liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (infusion directe) ou solide (canne d’introduction directe, dépôt sur plaque MALDI, ...) ou encore par l'association à une méthode séparative (chromatographie en phase liquide, chromatographie en phase gazeuse, électrophorèse capillaire , ...).
  • La source d'ionisation: elle consiste à vaporiser les molécules et à les ioniser. Une source d'ionisation peut être utilisée soit en mode positif pour étudier les ions positifs, soit en mode négatif pour étudier les ions négatifs. Plusieurs type de sources existent et sont utilisées en fonction du résultat recherché et des molécules analysées.
    • L'ionisation électronique (EI), l'ionisation chimique (CI) et la désorption-ionisation chimique (DCI)
    • Le bombardement par atomes rapides (FAB), atomes métastables (MAB) ou ions (SIMS, LSIMS)
    • Le couplage plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne s'effondrent...) inductif (ICP)
    • L'ionisation chimique à pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) (APCI) et la photoionisation à pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) atmosphérique (APPI)
    • L'électronébulisation ou électrospray (ESI)
    • L'ionisation-désorption laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) assistée par matrice (MALDI), activée par une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...) (SELDI) ou sur silicium (DIOS)
    • L'ionisation-désorption par interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec espèces métastables (DART)
  • L’analyseur : permet de séparer les ions en fonction de leur rapport masse/charge (m/z). Il existe des analyseurs basse résolution : le quadripôle (Q), le piège à ions 3D (IT) ou linéaire (LIT), et des analyseurs haute résolution, permettant de mesurer la masse exacte des analytes : le secteur magnétique couplé à un secteur électrique, le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vol (TOF), la résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la...) cyclotronique ionique à transformée de Fourier (En analyse, la transformation de Fourier est un analogue de la théorie des séries de Fourier pour les fonctions non périodiques, et permet de leur associer un spectre en fréquences. On cherche ensuite à obtenir l'expression de la fonction...) (FTICR) et l'Orbitrap.

Ces analyseurs peuvent être couplés entre eux pour réaliser des expériences de spectrométrie de masse en tandem (MS/MS). En général, un premier analyseur sépare les ions, une cellule de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) permet de fragmenter les ions, et un second analyseur sépare les ions fragments. Certains analyseurs, comme les pièges à ions ou le FT-ICR, constituent plusieurs analyseurs en un et permettent de fragmenter les ions et d'analyser les fragments directement.

  • Le détecteur et système de traitement : le détecteur transforme les ions en signal électrique. Plus les ions sont nombreux, plus le courant est important. De plus, le détecteur amplifie le signal obtenu pour qu'il puisse être traité informatiquement.

A quoi sert la spectrométrie de masse ?

  • Identification :
    • Suivant le type d'ionisation utilisé, un spectre de masse peut être caractéristique d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...). Ainsi en le comparant avec des banques de spectres, il est possible d'identifier la molécule.
    • Lors de l'utilisation d'un analyseur haute résolution (TOF, secteur magnétique, FTICR, Orbitrap), la spectrométrie de masse permet de mesurer avec précision la masse monoisotopique d'un ion et d'en déduire sa formule brute.
  • Analyse structurale :
    • La parité de la masse mesurée est fonction de la parité du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d’atomes d’azote (Table complète - Table étendue) que possède une molécule (règle de l’azote).
    • Chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) possède un ou plusieurs isotopes qui sont de masses différentes par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.). Ainsi, la proportion de chaque isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans...) observé sur un spectre de masse, c'est-à-dire le massif (Le mot massif peut être employé comme :) isotopique, est caractéristique de la présence de certains atomes et de leur nombre dans l'ion mesuré (en particulier : Cl, Br, qui présentent des isotopes M et M+2 en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...) notable).
    • Les ions peuvent se fragmenter dans un spectromètre de masse : dans la source d'ionisation, dans l'analyseur ou dans une cellule de collision. Comme les fragmentations respectent des lois précises de chimie en phase gazeuse, l'étude de ces fragments permet de déterminer la structure des ions.
  • Quantification :
    • Un spectromètre de masse est un détecteur universel et très sensible. Sa gamme linéaire va de 3 à 7 ordres de grandeur, d'où la possibilité d'obtenir une quantification fiable sur un domaine large.

La source d'ionisation

Les ionisations EI et CI, qui nécessitent un certain niveau de vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), sont préférentiellement utilisées en couplage avec la chromatographie en phase gazeuse (la CI fonctionnant à partir d'une source EI). En revanche, les deux sources à pression atmosphérique (électrospray et APCI) dites à "ionisation douce", sont principalement utilisées en couplage avec la chromatographie en phase liquide.

L'ionisation électronique (EI)

Des électrons émis par un filament rencontrent les molécules qui entrent dans la source : lors de la rencontre, si l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie...) des électrons est suffisante, un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) est arraché de la molécule M, la transformant en un ion radical M+°. Celui-ci peut ensuite se fragmenter suivant son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet...). L'EI conduit ainsi à un spectre assez fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites...), avec de nombreux fragments, très riche en informations structurales.

L'ionisation chimique

En plus du dispositif EI ci-dessus, un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) réactif est introduit dans la source et ionisé par impact électronique. S'ensuit une série de réactions qui donne naissance à des ions pouvant réagir avec les molécules d'analyte arrivant dans la source. Ce type de réactions ions-molécules produit principalement (en mode positif) des ions [MH]+ et [M+adduit+H]+, permettant ainsi d'accéder à la masse moléculaire de l'analyte.
Le méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve...), l'isobutane et l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule...) sont parmi les gaz d'ionisation chimique les plus utilisés.

L'électrospray

Son principe est le suivant : les gouttelettes de solutés sont formées à l'extrémité d'un fin capillaire de silice, métallisé en surface et porté à un potentiel élevé. Le champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.) intense leur confère une densité de charge (La densité de charge électrique correspond au rapport de la charge sur le volume. Elle peut être exprimée en coulomb par mètre cube (C/m3).) importante. Sous l'effet de ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) et grâce à l'assistance éventuelle d'un courant d'azote co-axial, l'effluent liquide est transformé en nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature,...) de fines gouttelettes (spray) chargées suivant le mode d'ionisation. Sous l'effet d'un second courant d'azote chauffé, les gouttelettes s'évaporent progressivement en perdant des molécules de solvant par des mécanismes complexes de désolvatation et d'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement d'état appelé vaporisation.). Leur densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence....) de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) devenant trop importante, les répulsions électriques atteignant le niveau des tensions superficielles, les gouttelettes explosent en libérant des microgouttelettes constituées de molécules protonées ou cationisées de l'analyte, porteuses d'un nombre de charges variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une...).
Les ions ainsi formés sont ensuite guidés à l'aide de potentiels électriques appliqués sur deux cônes d'échantillonnage (L'échantillonnage est la sélection d'une partie dans un tout. Il s'agit d'une notion importante en métrologie : lorsqu'on ne peut pas saisir un événement dans son ensemble, il faut effectuer des mesures...) successifs. Durant ce parcours à pression élevée, les ions subissent de multiples collisions avec les molécules de gaz et de solvant, ce qui complète leur désolvatation. En modulant le premier potentiel de cône, il est possible de faire varier l'énergie des collisions et provoquer ainsi une fragmentation plus ou moins importante des ions dans la source.
L'avantage de cette méthode d'ionisation comme pour l'APCI est l'obtention d'ions multichargés, pour les macromolécules, polymères, etc...

L'APCI

Les échantillons liquides sont directement introduits dans un nébuliseur pneumatique. Sous l'effet d'un jet d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser...) ou d'azote, le liquide est transformé en fin brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules hygroscopiques...). Un chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) assure ensuite la désolvatation des composés. Ces derniers sont ensuite ionisés chimiquement à pression atmosphérique : en général, la phase mobile vaporisée joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à...) le rôle de gaz d'ionisation et les électrons sont obtenus à partir de décharges d'électrode couronne. L'ionisation des composés est très favorisée lors de ces techniques car la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par...) des collisions est élevée à pression atmosphérique.
L'APCI est une technique analogue à l'ionisation chimique (CI), elle fait appel à des réactions ions-molécules en phase gazeuse, mais à pression atmosphérique et conduit essentiellement à la formation d'ions [MH]+ ou [M-H]-.

Le MALDI

Principe

Un faisceau laser pulsé est utilisé, généralement dans le domaine des ultraviolets, pour désorber et ioniser un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange....) matrice/échantillon cocristallisé sur une surface métallique, la cible.
Les molécules de matrice absorbent l'énergie transmise par le laser sous forme de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se...) UV, s'excitent et s'ionisent. L'énergie absorbée par la matrice provoque sa dissociation et son passage en phase gazeuse. Les molécules de matrice ionisées transfèrent leur charge à l'échantillon. L'expansion de la matrice entraîne l'échantillon au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) de la phase gazeuse dense où il va finir de s'ioniser.
L'ionisation de l'échantillon a donc lieu soit dans la phase solide avant la désorption, soit par transfert de charge lors de collisions avec la matrice excitée après désorption. Elle conduit à la formation d'ions monochargés et multichargés de type [M+nH]n+, avec une nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...) prépondérance pour les monochargés.

La matrice

C'est une petite molécule, capable de former des cristaux contenant l'analyte. Elle a pour propriété de fortement absorber à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte aussi de...) du laser. Elle assure ainsi la stabilité de l'échantillon, le préservant d'une dégradation trop importante par les photons.
Il est possible d'utiliser des matrices variées, dont beaucoup sont dérivées de l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) cinnamique (acides gentisique (DHB), α-cyano-4-hydroxycinnamique (α-HCCA), sinapinique (SA), ...). Cependant aucune règle générale ne régit vraiment leur choix pour une application, même si l'α-HCCA est souvent utilisé pour l'analyse de peptides, tandis que le SA convient bien à l'étude des protéines.

L'analyseur

L'analyseur quadripolaire

Un quadripôle est constitué de quatre électrodes parallèles de section hyperbolique ou cylindrique. Les électrodes opposées distantes de 2r0 sont reliées entre elles et soumises au même potentiel.

Coupe d'un quadripôle
Coupe d'un quadripôle

Les électrodes adjacentes sont portées à des potentiels de même valeur, mais opposés de sorte que l'écart de potentiel soit égal à φ0.

Ce potentiel φ0 résulte de la combinaison (Une combinaison peut être :) de tensions, l'une continue (U) l'autre alternative (V) de haute fréquence f : \phi_0 = U - V\cdot cos (2\pi ft)
En appliquant cette différence de potentiel entre chaque paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) d'électrodes, il se crée un champ électrique quadripolaire. Un point (Graphie) de coordonnées (x,y,z) situé dans le champ électrique sera alors soumis au potentiel : \phi = \phi_0 \cdot \frac {x^2 - y^2}{r_0^2}

Diagramme de stabilité d'un ion dans un quadripôle
Diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous les aspects des activités humaines pour visualiser et...) de stabilité d'un ion dans un quadripôle

La trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) d'un ion pénétrant dans le quadripôle sera donc uniforme selon l'axe z et décrite par les équations de Mathieu selon les deux autres axes. Il est possible de définir en fonction des valeurs U et V des zones de stabilité telles que les coordonnées x et y de l'ion restent strictement inférieures à r0. L'une d'entre elles est exploitée en spectrométrie de masse (voir figure) (Les ions qui se trouvent dans cette zone auront donc une trajectoire stable dans le quadripole et seront détectés). En gardant constant le rapport U/V, on obtient une droite de fonctionnement de l'analyseur. Un balayage de U avec U/V constant permet l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) successive de tous les ions dont la zone de stabilité est coupée par la droite de fonctionnement. La résolution entre ces ions est d'autant plus grande que la pente de la droite est élevée.

En l'absence de tension (La tension est une force d'extension.) continue, tous les ions de rapports m/z supérieurs à celui fixé par la valeur de V appliquée auront une trajectoire stable (x et y < r0), le quadripôle est alors dit transparent et sert de focalisateur d'ions.

Les principaux avantages du spectromètre quadripolaire résident dans sa souplesse d'utilisation, sa résolution unitaire sur toute sa gamme de masse, sa vitesse (On distingue :) de balayage satisfaisante, ainsi que son adaptabilité à différentes interfaces permettant le couplage avec la chromatographie gazeuse ou liquide.

Le piège ionique quadripolaire

C'est un piège ionique où la préparation, l'analyse et la détection des ions s'effectuent dans un même espace, suivant des séquences temporelles successives.

Schéma de la trajectoire des ions dans un piège ionique
Schéma de la trajectoire des ions dans un piège ionique

Le piège est constitué de trois électrodes à section hyperbolique : une électrode annulaire encadrée par deux électrodes (d'entrée et de sortie) qui forment les calottes supérieure et inférieure du dispositif. Une tension en radiofréquence V\cdot cos (2\pi ft) combinée ou non à une tension continue U est appliquée entre l'électrode centrale et les deux électrodes calottes. Le champ résultant est alors tridimensionnel.
Les domaines de stabilité des ions sont à nouveau déterminés par les équations de Mathieu. Celui exploité est défini tel que lorsque les ions en sortent, leur trajectoire radiale reste stable contrairement à celle selon l'axe des z. Un balayage de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de la radiofréquence V entraînera donc l'expulsion des ions piégés selon cet axe, vers le détecteur. Les trajectoires stables des ions, au sein du champ quadripolaire résultant sont tridimensionnelles, en forme de huit.

Le temps de vol

Principe

L'analyseur à temps de vol consiste à mesurer le temps que met un ion, soumis à une tension préalable, à parcourir une distance donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...).

En effet, l'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) vaut :

E_c = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2 = \frac{1}{2} \cdot m \cdot \frac{l^2}{t^2} m étant la masse, v la vitesse, l la distance parcourue pendant le vol, et t le temps de vol.
Par ailleurs, un ion de charge z soumis à une tension accélératrice V gagne une énergie cinétique

E_c = z \cdot e \cdot V

e étant la charge élémentaire (La charge élémentaire est, en physique, la charge électrique d'un proton ou, de façon équivalente, l'opposé de la charge électrique d'un électron. Elle est notée e.).

On en déduit ainsi \frac{m}{z} = 2 \cdot e \cdot V \cdot \frac{t^2}{l^2}

Le rapport masse sur charge est directement mesurable à partir du temps de vol.

Fonctionnement

Un analyseur à temps de vol se compose d'une zone d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur...) où est appliquée la tension accélératrice, et d'une zone appelée tube de vol, libre de champ.

Trajectoire d'un ion dans l'analyseur à temps de vol en mode linéaire
Trajectoire d'un ion dans l'analyseur à temps de vol en mode linéaire

Les ions accélérés pénètrent dans le tube de vol libre (Le vol libre est l'activité sportive ou de loisir consistant à voler avec un planeur ultra léger (PUL) sans motorisation.) de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) champ. La séparation des ions ne va donc dépendre que de la vitesse acquise lors de la phase d'accélération. Les ions de rapport m/z le plus petit parviendront au détecteur les premiers. Pour chaque groupe d'ions de même rapport m/z, un signal est enregistré au niveau du détecteur sous la forme d'une fonction temps/intensité.

Ce mode de détection comporte cependant certaines limitations en terme de résolution : ainsi deux ions identiques, de même vitesse initiale, mais localisés à deux points différents, entreront dans le tube de vol à des vitesses et des temps différents. Celui le plus loin du détecteur à l'origine sera accéléré plus longtemps et aura donc un temps de vol plus court, d'où une dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...) en temps et en énergie. Le mode réflectron permet de pallier ce phénomène.

Trajectoire d'un ion dans l'analyseur à temps de vol en mode réflectron
Trajectoire d'un ion dans l'analyseur à temps de vol en mode réflectron

En mode réflectron, un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée, est...) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) impose un champ électrique de direction opposée à celle du champ accélérateur initial, et donc du mouvement des ions. Ces derniers voient ainsi leur trajectoire modifiée : ils pénètrent dans le réflectron et en ressortent avec une vitesse longitudinale de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits...) à leur vitesse initiale. Les ions les plus énergétiques arrivent les premiers au niveau du réflectron et vont y pénétrer plus profondément, ils seront donc réfléchis dans un temps plus long. De cette façon, tous les ions de même rapport m/z se trouvent focalisés sur un même plan, le détecteur du réflectron étant placé sur le plan de focalisation de ces ions.

En outre, le réflectron permet d'allonger la distance de vol sans pour autant augmenter la taille de l'analyseur : les ions mettent plus de temps pour atteindre le détecteur, et réduisent aussi leur dispersion en temps, la résolution s'en trouve donc grandement améliorée.

Le FT-ICR

L’analyseur à résonance cyclotronique d’ion se compose d’une cellule ICR (de configuration cubique par exemple) qui comporte notamment six plaques sous tension, isolées les unes des autres. L’application d’un champ magnétostatique (La magnétostatique est l'étude des phénomènes où le champ magnétique est statique, c’est-à-dire ne dépend pas du temps.) B suivant l’axe z soumet les ions à la force de Lorentz (En physique, la force de Lorentz désigne :) F = ez v ^ B. Leur mouvement dans le plan (xy) est alors " cyclotronique ", c’est-à-dire circulaire uniforme de fréquence f= eB/(2π.m/z). Les ions sont par ailleurs confinés suivant l’axe z par un champ électrostatique imposé par les deux plaques parallèles au plan (Oxy), résultant de l’application d’une tension faible.
Une fois piégés dans la cellule, les ions ont donc la même trajectoire mais pas la même position à un instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) déterminé. Il convient donc de donner aux ions de même m/z un mouvement d’ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) en les mettant en phase, par résonance cyclotronique. Pour cela, les ions m/z sont excités par un champ alternatif de fréquence correspondant à leur fréquence cyclotron : pour exciter tous les ions d’une certaine gamme de m/z, une tension contenant toutes les fréquences cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et sont accélérées par un...) correspondantes est imposée. Les ions sont alors accélérés, mis en phase et voient le rayon de leur orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) augmenter.
Le courant induit (Le courant induit, par ses effets s'oppose aux causes qui lui ont donné naissance (loi de Lenz). L'origine de ce courant induit résulte de la variation d'un flux...) par le mouvement cohérent des ions de même m/z sera mesuré sur les plaques de détections : ce sera une sinusoïde amorti de fréquence cyclotronique. Le courant induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme....) mesuré sera donc la somme de sinusoïdes amorties des fréquences cyclotroniques correspondant aux ions de m/z excités par résonance. La fréquence cyclotron étant proportionnelle à 1/(m/z), l’inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...) de la transformée de Fourier du courant obtenu permet d’aboutir au spectre de masse en m/z.

Cet analyseur a l’une des meilleures résolutions qui soient (Rs>100 000), dès lors le spectre MS a une plus grande capacité de pics, ce qui maximise la quantité d’informations pour l’analyse de mélanges complexes. Cependant, la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la...) des pics étant proportionnelle à (m/z)², la résolution est meilleure aux m/z inférieures à 5000 Th. L’excellente précision du FT-ICR sur la mesure de masse (5-10 ppm) lève ou diminue les ambiguïtés sur l’identification des composés. La gamme de masse dépend de la valeur du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...), elle s’étend jusque 27000 Da pour un champ de 7 T. En revanche, la gamme dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) est assez restreinte, avec 2-3 décades, car cet analyseur par confinement souffre du même défaut que le piège quadripolaire, la coexistence possible d’un nombre limité d’ions. Dès lors, les pics très minoritaires dans le spectre de masse présenteront une mesure de masse moins précise. Le FT-ICR permet l’analyse en MS/MS dans la cellule même, avec possibilités variées d’activation (Activation peut faire référence à :) des ions et donc de fragmentation sélectives.

L'orbitrappe

L’orbitrappe se compose d’une électrode creuse, à l’intérieur de laquelle est placée coaxialement une électrode en forme de fuseau. La forme particulière de ces deux électrodes permet l’imposition d’un champ électrostatique quadro-logarithmique avec la tension : U (r,z) = k/2 (z²-r²/2) + k/2 Rm² ln (r/Rm) +C.
avec Rm rayon caractéristique de l’électrode centrale, k courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins...) du champ, et C une constante.
Le champ est en particulier quadripolaire suivant l’axe z des électrodes. Les ions sont injectés tangentiellement à l’électrode centrale et piégés autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco, Megatriorchis,...) d’elle par la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) électrostatique qui compense les forces centrifuges. Le mouvement des ions se décompose alors ainsi : un mouvement circulaire autour de l’électrode centrale dans le plan (xy) et un mouvement oscillatoire de va-et-vient selon l’axe z. En particulier, les ions d’un m/z donné seront sur la même trajectoire circulaire qui oscille axialement avec une fréquence f. f est indépendante de la vitesse ou de l’énergie des ions et s’exprime comme 1/2π√(km/z). De la même façon que pour le FT-ICR, le courant induit par ces oscillations permet par une transformée de Fourier d’accéder aux m/z.

La précision des mesures de m/z est particulièrement bonne (1-2 ppm) et la résolution (jusque 100 000) rivalise avec celle du FT-ICR, d’autant qu’étant proportionnelle à 1/√(m/z), elle diminue moins vite avec le m/z que dans le cas du FT-ICR. La gamme dynamique est satisfaisante (> 3 décades). L’orbitrappe est principalement utilisée en spectrométrie de masse en tandem, associée à un piège linéaire

L'analyseur à secteur magnétique

L'ion est éjecté dans un milieu dans lequel règne un champ magnétique uniforme perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin...) au plan de la trajectoire. Du fait de la force de Lorentz, la trajectoire se courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont...), et le point d'impact de l'ion (donc sa déviation) permet de connaître sa masse à partir de la charge.

En effet, soit \vec B\, le champ magnétique (dirigeant \overrightarrow{Oz}) de coordonnées \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ B \end{pmatrix} et \vec v_0\, la vitesse initiale orthogonale à \vec B\,, elle dirige \overrightarrow{Ox}.

On a alors: q \vec v \wedge \vec B = \begin{pmatrix} qB\dot y  \\ -qB \dot x  \\ 0 \end{pmatrix}.

D'où, en écrivant la relation fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de la dynamique : \left\{\begin{matrix} m \ddot x =qB \dot y  \\ m \ddot y = -qB \dot x \end{matrix}\right..

Soit: \left\{\begin{matrix} \ddot x -\omega_0\dot y  =0 \\ \ddot y + \omega_0\dot x=0 \end{matrix}\right.\omega_0=\frac{qB}{m}.

Posons \tilde V=\dot x + i\dot y.

On a alors \dot \tilde V + i\omega_0\tilde V=0.

En résolvant, \tilde V(t) =v_0 e^{-i\omega_0t}=v_0cos(\omega_0t) - v_0isin(\omega_0t).

Et donc: \left\{\begin{matrix} \dot x(t) =v_0cos(\omega_0t) \\ \dot y(t) =-v_0sin(\omega_0t)\end{matrix}\right. \left\{\begin{matrix} x(t) =\frac{v_0}{\omega_0}sin(\omega_0t) \\ y(t) =\frac{v_0}{\omega_0}cos(\omega_0t) -\frac{mv_0}{qB}\end{matrix}\right. (à l'aide des conditions initiales).

Il s'agit bien de l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à...) paramétrique d'un cercle (Un cercle est une courbe plane fermée constituée des points situés à égale distance d'un point nommé centre. La valeur de cette distance est appelée rayon du cercle. Celui-ci...) de rayon R_c=\frac{mv_0}{\left|qB\right|}.

Le spectromètre mesure ensuite les distances d'impact lorsque la particule a effectué un demi-cercle. La distance au point d'origine correspond au diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.) donc au double du rayon donné par la dernière formule. La charge de la particule permet donc d'en déduire sa masse.

La spectrométrie de masse en tandem (MS/MS)

La spectrométrie de masse en tandem consiste à sélectionner un ion par une première spectrométrie de masse, à le fragmenter, puis à effectuer une deuxième spectrométrie de masse sur les fragments ainsi générés.
Elle peut être réalisée à l'aide de nombreux appareils combinant des secteurs magnétiques, électriques, quadripolaires ou des temps de vol, mais également au sein d'un même analyseur dans le cas d'une trappe d'ions.

Le triple quadripôle

Un triple quadripôle résulte de l'association de deux analyseurs quadripolaires en série, séparés par une cellule de collision souvent constituée d'un quadripôle plus court. Cette combinaison de quadripôles permet de travailler en MS simple ou en tandem. Pour réaliser une acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) en MS, il suffit de n'appliquer qu'une tension alternative à l'un des analyseurs pour le rendre "transparent" comme la cellule de collision, celle-ci ne contenant alors pas de gaz.
Lors d'une acquisition en MS/MS, la cellule de collision est remplie d'un gaz inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) (argon par exemple) sous une pression relativement élevée (10 − 2 torr). L'énergie cinétique de l'ion sélectionné est convertie lors de ses collisions successives en énergie interne. La dissociation de l'ion se réalisera lorsque son énergie interne sera devenue supérieure à l'énergie d'activation nécessaire à la fragmentation. Cette technique de dissociation activée par collision (CAD) peut être amplifiée en augmentant l'énergie cinétique des ions sélectionnées par application d'une différence de potentiel entre la source et la cellule de collision.
L'analyse MS/MS peut être menée selon quatre modes différents selon l'information recherchée : le mode descendant est le plus utilisé pour obtenir des informations structurales, les deux modes (ascendant et perte de neutre) sont d'un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) plus restreint et permettent de mettre en évidence des ions ayant des particularités communes. Le quatrième mode (Multiple Reaction Monitoring ou MRM), dérivé du mode descendant, est voué à la quantification.

  • en mode descendant, l'ion à étudier est sélectionné en focalisant le premier analyseur sur son rapport m/z. Les fragments formés dans la cellule de collision sont séparés par le deuxième analyseur et analysés. Le spectre obtenu présente à la fois l'ion précurseur (ou ion parent) et ses ions fragments (ou ions produits).
  • en mode ascendant, le premier analyseur balaie une gamme de masse tandis que le deuxième est focalisé sur un seul rapport m/z. Tous les ions générés en source et capables de donner un fragment de même rapport m/z seront donc ainsi détectés.
  • en mode perte de neutre, les deux analyseurs balaient une gamme de masse simultanément et avec un décalage de masse constant. Le spectre établi présentera alors tous les ions parents capables de se fragmenter en générant un neutre de masse égale au décalage imposé.
  • en mode MRM, l'ion parent à étudier est sélectionné par le premier analyseur et fragmenté dans la cellule de collision, comme en mode descendant. En revanche, le second analyseur est focalisé sur l'ion produit. Ce mode de fonctionnement présente une double sélectivité, au niveau des sélections de l'ion parent et de l'ion produit. En outre les deux analyseurs étant fixées à des tensions constantes, la sensibilité de détection est améliorée par rapport à d'autres modes de balayage, faisant de la MRM un mode de choix pour la quantification.

MSn en piège quadripolaire ("trappe d'ions")

Au sein d'un piège quadripolaire ("trappe d'ions"), l'analyse en tandem se réalise dans un premier temps par sélection d'ions dont la valeur m/z est choisie. Ces ions piégés vont ensuite se fragmenter par collision (acquisition d'énergie interne, excitation vibrationnelle) à l'aide d'une tension RF (radiofréquence) correspondant à leur fréquence de résonance, et les ions produits formés sont à leur tour piégés. Une éjection sélective en masse des ions produits (fragments) peut alors être réalisée en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de leur analyse.
L'obtention d'ions de générations supérieures est possible par simple renouvellement du processus (sélection d'un ion produit, fragmentation, sélection d'un ion produit de 2e génération, fragmentation, etc...). Cette séquence est appelée MSn, n étant le nombre de générations d'ions. Ainsi la MS2 est la MS-MS et ainsi de suite...

Tof Tof

Hybride : Quadripôle Tof

Ces appareils permettent de combiner les points forts des analyseurs quadripôles et des Tofs. Il sont constitués d'un double quadripôle (1er analyseur et cellule de collision) et d'un analyseur à temps de vol comme second analyseur. Les avantages par rapport à un triple quad sont une meilleure sensibilité et une meilleure résolution.

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