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CDMS – Spectrométrie de masse à détection de charge

La spectrométrie de masse (MS) est un outil analytique incontournable pour la caractérisation et l’identification de molécules. La séparation des molécules selon leur rapport masse/charge (m/z) préalablement ionisées à partir d’un échantillon repose sur l’action d’un champ électromagnétique. Les spectromètres de masse conventionnels fournissent ainsi généralement un spectre en m/z duquel doivent être identifiés le ou les états de charge z d’un composé de masse donnée m. La détermination de la masse m du composé découle de cette analyse spectrale. Les spectromètres de masse conventionnels sont bien adaptés à l’analyse de molécules de masse bien définie et allant de quelques dizaines de daltons (Da) jusqu’à quelques dizaines de kilodaltons (kDa) couvrant notamment le domaine d’analyse des peptides et petites protéines, pour lequel la technique d’ionisation par electrospray (ESI) produisant des ions très chargés s’avère particulièrement bien adaptée. En revanche, si on considère un échantillon constitué de molécules de masse plus élevée, typiquement à partir du mégadalton (MDa) et au-delà, la résolution du spectre devient impossible. Une limite de masse mesurable par technique conventionnelle ESI-MS a été établie autour de 20 MDa. Pour les espèces qui sont intrinsèquement hétérogènes, cette limite est considérablement plus faible. En effet, les états de charge deviennent plus élevés, plus nombreux et plus proches les uns des autres sur le spectre. En outre, l’hétérogénéité des ions étudiés augmente avec la masse du fait de la présence plus ou moins importante d’espèces co-adsorbées (molécules d’eau, contre-ions et autres adduits). Enfin, l’étude d’échantillons intrinsèquement polydisperses tels que des polymères synthétiques ou des nanoparticules est une barrière supplémentaire à la résolution de ce type de spectres en m/z.

Ainsi, il existe un intervalle de masse que les techniques MS conventionnelles ne couvrent pas. Et dans cet intervalle se trouvent, dans une large mesure, les masses des composés ou objets (qu’ils soient naturels ou façonnés par l’homme) appartenant au « nanomonde ». Il apparaît donc important de combler ce « vide » analytique dans la détermination de la masse.

Basée sur la détection de la charge-image à partir d’un ion multichargé individuel traversant un tube conducteur, la spectrométrie de masse à détection de charge permet de mesurer simultanément la charge et le temps de vol dans ce tube (ToF) de chaque ion issu de l’échantillon. Cette technique de spectrométrie de masse – à ions uniques – permet d’étendre le domaine d’analyse de la spectrométrie de masse conventionnelle vers le « nanomonde » en évaluant le caractère polydisperse de l’échantillon. L’énorme intérêt de cette technique réside en effet dans sa capacité à produire de réelles distributions de masse et de charge pour des échantillons présentant pour la plupart un caractère fortement polydisperse.

Pionnier dans le développement de cette technique de spectrométrie de masse couplée à l’ESI, W.H. Benner et ses collaborateurs aux États-Unis ont notamment établi la preuve-de-concept en étudiant des macro-ions d’ADN ou des virus entiers de masse allant de quelques MDa à quelques dizaines de MDa. À ce jour, plusieurs équipes de recherche (principalement aux États-Unis d’Amérique) sont actives dans le développement instrumental de cette technique. Les équipes de M.F. Jarrold et E.R. Williams s’attachent à développer des réseaux de détecteurs de charge ainsi que des couplages avec des pièges électrostatiques pour améliorer la sensibilité et la précision de cette technique. L’équipe de D.E. Austin, quant à elle, s’ingénie à miniaturiser cette technique sur des circuits imprimés. Enfin, l’équipe de R. Antoine développe des couplages CDMS avec des techniques séparatives et de la spectroscopie laser.

La masse moléculaire, somme des masses atomiques des différents atomes constituant une molécule, s’exprime en -Dalton qui est la masse d’un atome d’hydrogène :

On retiendra que 1 Da correspond à une masse molaire de 1 g/mol.