La spectrométrie de masse

spectrographe Thomson
  1. Bref historique de l'origine de la spectrométrie de masse
  2. La mesure en spectrométrie de masse : une affaire de résolution
  3. Les sources d'ionisation
  4. Les espèces d'ions formés
  5. La gamme de masse observable au CRMPO
  6. La gamme dynamique

Bref historique de l'origine de la spectrométrie de masse

L'histoire de la spectrométrie de masse débute avec Sir J. J. Thomson du laboratoire Cavendish de l'Université de Cambridge, dont les études sur la décharge électrique des gaz mènent à la découverte de l'électron en 1897. Il va concevoir le premier spectrographe de masse dans les premières années du XXe siècle et se verra décerner le prix Nobel de physique en 1906. Son protégé Francis W. Aston améliore le spectrographe et obtiendra le prix Nobel de chimie en 1922.
Pendant ce temps, vers 1920, le Professeur A. J. Dempster de l'Université de Chicago développe un instrument à déflection magnétique, mais aussi la première source à impact électronique, une source qui est encore très répandue dans les spectromètres modernes.

La mesure en spectrométrie de masse : une affaire de résolution

En spectrométrie de masse, 4 degrés de résolution caractérisent les instruments et définissent la qualité des spectres.

  • La basse résolution, autrefois unitaire aujourd'hui parfois à +/- 0.2 Da, permet la confirmation de présence d'une molécule attendue et connue.
  • La haute résolution permet la détermination d'une formule brute de molécules attendues ou d'impuretés grâce à une précision de mesure au 3e ou 4e chiffre après la virgule.
  • La très haute résolution permet la lecture partielle de la composition élémentaire par la séparation de certaines contributions isotopiques.
  • L'ultra haute résolution permet la lecture complète de la composition élémentaire outre les contributions monoisotopiques (31P, 23Na, 19F, 127I entre autres), qui sont obtenues par soustraction ou déduction.

Les sources d'ionisation

Il existe un nombre conséquent de type de source d'ionisation, au CRMPO, les 4 suivants sont les plus utilisées.

  • L'electrospray, esi ou ESI est une technique d'ionisation dite douce et peu fragmentaire. Elle nécessite le triptyque suivant : la mise en solution de l'échantillon, un gaz de nébulisation et de désolvatation et une différence de potentiel de quelques kilovolts. L’action conjointe de ces éléments amène le liquide « propulsé » et chargé, sous la forme d’un cône de Taylor, au limite de l’équation de Rayleigh, ce qui se solde par des explosions coulombiennes libérant des espèces ioniques solvatées puis littéralement séchées par un gaz de désolvatation. L'ionisation de l'analyte se fait majoritairement par transfert de charge et génère de manière caractéristique des multichargés pour les macromolécules, comme les protéines.
  • Le maldi (en vo : Matrix assisted laser desorption ionisation) est une technique d'ionisation dite douce et peu fragmentaire. Dans sa version dite Vrai ou Vacuum, elle nécessite dans un premier temps la cocristallisation sur une cible métallique ou métallisée de l'analyte et d'une matrice. Une fois l'introduction de la cible sous vide réalisée, une impulsion laser vient littéralement ablater la matière déposée. La matrice est choisie pour sa meilleure affinité avec l'analyte et sa capacité à absorber puis restituer l'énergie fournie par l'impact du laser pulsé et polarisé. L'ionisation de l'analyte se fait majoritairement par transfert de charge, la majorité des composés sont observés sous forme monochargé, mais les multichargés sont aussi représentés pour les molécules de haut poids moléculaire.
  • L'asap (en vo : Atmospheric solids analysis probe) est une technique d'ionisation dite assez douce et potentiellement fragmentaire. Elle est applicable sur les sources possédant une aiguille à effet corona.  Une différence de potentiel est appliquée ce qui engendre une ionisation plasmatique locale à la pointe de l'aiguille : c'est l'effet Corona. L'échantillon est déposé sur un capillaire en verre puis introduit au voisinage de l'aiguille. L'ionisation de l'analyte se fait majoritairement par transfert de charge.
  • La dart (en vo : Direct Analysis in Real Time) est une technique d'ionisation dite assez douce et potentiellement fragmentaire. Elle nécessite un générateur qui utilise l'ionisation dite de Penning pour former des ions radicaux à partir d'un gaz porté à un état métastable. Ces ions vont interagir avec l'atmosphère et la vapeur d'eau résiduelle pour former les espèces réactives. L'ionisation de l'analyte se fait majoritairement par transfert de charge.

Les espèces d'ions formés

Pour l'electrospray

Les espèces d'ions diffèrent en fonction de la polarité et du solvant ainsi :

En mode positif dans les solvants hors CHCl3 et CH2Cl2 : [M+H]+, [M+nH]n+, [M+Na]+, [M-H+2Na]+, C+, [2C+, A-]+
En mode positif dans les solvants CHCl3 et CH2Cl2 : M+., [M+H]+, [M+nH]n+, C+, [2C+, A-]+
En mode négatif dans les solvants hors CHCl3 et CH2Cl2 : [M-H]-, [M-nH]n-, A-, [2A-, C+]-
En mode négatif dans les solvants CHCl3 et CH2Cl2 : M-., [M-H]-, [M+Cl]-, [M-nH]n-, A-, [2A-, C+]-

Pour le maldi

Les espèces d'ions diffèrent en fonction de la polarité ainsi :

En mode positif : [M+H]+, [M+nH]n+, [M+Na]+, C+, [2C+, A-]+
En mode négatif : [M-H]-, [M-nH]n-, A-, [2A-, C+]-

Pour l'asap

Les espèces d'ions diffèrent en fonction de la polarité ainsi :

En mode positif : M+., [M+H]+, C+
En mode négatif : M-., [M-H]-, [M+Cl]-, A-

Pour la dart

Les espèces d'ions diffèrent en fonction de la polarité ainsi :

En mode positif : M+., [M+H]+, [M+NH4]+, [M+O+H]+, C+
En mode négatif : M-., [M-H]-, A-

La gamme de masse observable au CRMPO

Pour l'electrospray sur un Q-Tof

Il est possible d'observer des ions de 50 à 4000 en monochargé.
Il est possible d'observer des molécules d'un poids moléculaire de 20000 Da en multichargé.

Pour l'electrospray sur un Q-Exactive

Il est possible d'observer des ions de 50 à 6000 en monochargé.
Il est possible d'observer des molécules d'un poids moléculaire de 35000 Da en multichargé.

Pour le maldi en mode linéaire

Il est possible d'observer des ions de 1000 à 250000 en monochargé.
Il est possible d'observer des molécules d'un poids moléculaire supérieure à 250000 Da en multichargé.

Pour le maldi en mode réflectron

Il est possible d'observer des ions de 200 à 20000 en monochargé.

Pour l'asap

Il est possible d'observer des ions de 50 à 2000 en monochargé.

Pour la dart

Il est possible d'observer des ions de 50 à 2000 en monochargé.

La gamme dynamique

Une caractéristique importante d'un spectromètre de masse est sa gamme dynamique. La précision de mesure est globale pour une acquisition dans la limite de la gamme de calibration et ce sur une large gamme d'intensité. Ainsi dans un spectre calibré avec une précision inférieure à une partie par million (PPM : 0.0001 d'erreur à une masse de 100 u) il est possible d'identifier les ions principaux mais aussi des ions de très faibles intensités de l'ordre du 1/1000, voire moins. Cette capacité sera mise en valeur majoritairement lors de la recherche d'impuretés.