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RÉSUMÉ
La chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse tandem (CG-SM/SM) est une méthode d’analyse d’une très grande sélectivité puisqu’elle associe les caractéristiques de la chromatographie qui permet de séparer les différents constituants d’un mélange à une analyse par spectrométrie de masse qui fournit une analyse élémentaire de ces constituants. Cet article se focalise sur les évolutions récentes de la CG-SM/SM et présentent ses principaux domaines d’applications en discutant des spécificités de la CG-SM/SM comparés aux autres méthodes de spectrométrie de masse organique moderne
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Gas chromatography coupled with tandem mass spectrometry (GC-SM/SM) is an analytical method with very high selectivity, combining the characteristics of gas chromatography, which allows the separation of components in a complex mixture, with mass spectrometry analysis, which provides elemental analysis of these components. This article focuses on the recent instrumental developments in GC-SM/SM and presents its main areas of application. It discusses the specific features of GC-SM/SM compared to the other modern organic mass spectrometry methods.
Auteur(s)
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Michel SABLIER : Docteur de l’université Pierre-et-Marie-Curie – Directeur de recherche au CNRS - Centre de recherche sur la conservation, Muséum National d’Histoire Naturelle, CNRS, Paris, France
INTRODUCTION
La complexité des mélanges à analyser dans des domaines aussi différents que ceux concernant l’analyse de polluants environnementaux, de coupes pétrolières ou de milieux biologiques a conduit au développement de techniques de plus en plus sélectives pour permettre la caractérisation de composés souvent présents à l’état de traces. Les avancées obtenues dans ces domaines d’analyse tiennent principalement à deux facteurs :
-
dans le domaine de la séparation chromatographique et, en particulier, de la chromatographie en phase gazeuse, au développement de colonnes chromatographiques capillaires à très haute résolution ;
-
dans le domaine de la détection, au développement en routine de techniques de couplages d’une séparation chromatographique avec la détection par spectrométrie de masse aux qualités toujours améliorées.
Le développement de la spectrométrie de masse tandem (SM/SM) a introduit une nouvelle dimension dans l’analyse de mélanges complexes en permettant la sélection d’un seul ion dans une matrice pour ensuite le dissocier afin de déterminer sa structure. Cette technique permet ainsi de confirmer la présence d’un composé de façon spécifique sans préparation particulière de l’échantillon à analyser. La sélectivité de la spectrométrie de masse tandem est cependant accrue par une séparation chromatographique préalable des constituants de l’échantillon. C’est pour cette raison que le couplage de la chromatographie en phase gazeuse à la spectrométrie de masse tandem a été introduit.
La totale maîtrise du couplage chromatographique avec la spectrométrie de masse depuis le début des années 1980 et la mise au point de spectromètres de masse tandem commerciaux a permis l’utilisation des propriétés de sélectivité de ces deux techniques pour pousser plus avant les potentialités analytiques attendues de la combinaison de celles-ci, laissant au couplage de la chromatographie en phase gazeuse à la spectrométrie de masse tandem (CG-SM/SM) toute latitude pour affirmer sa sélectivité.
L’analyse par spectrométrie de masse de mélanges complexes pour des analytes particuliers est ainsi facilitée par la spectrométrie de masse en tandem (SM/SM) ainsi que par des mesures de haute résolution/haute précision de masse. La valeur de la spectrométrie de masse tandem est bien établie, pour la caractérisation de composés particuliers en utilisant des balayages ioniques de produits et pour reconnaître les membres de classes de composés en utilisant les pertes de fragments neutres et les balayages d’ions précurseurs. La dissociation induite par collision CID « Collision Induced Dissociation » a été étudiée pour sa capacité à réaliser l’étape indispensable d’activation des ions moléculaires et pour générer des fragments caractéristiques dans les expériences SM/SM. Une mesure de masse précise, associée à une résolution suffisante, permet de restreindre considérablement le nombre de formules moléculaires possibles qui pourraient correspondre à une masse moléculaire particulière.
L’analyse des échantillons environnementaux représente souvent une tâche difficile pour la chimie analytique. Les composés cibles sont généralement présents à l’état de traces dans un cocktail complexe de composés naturels et anthropiques. Afin de quantifier avec précision de tels composés à l’état de traces, il est essentiel de réduire le bruit de fond, mais également de séparer efficacement les composés cibles les uns des autres et de la matrice résiduelle.
Dans cet article, les évolutions récentes de la CG-SM/SM sont abordées au travers des développements instrumentaux des appareils permettant de conduire des expériences de spectrométrie de masse tandem (§ 2) gardant à l’esprit que si le premier défi concerne l’efficacité de la dissociation, le second défi concerne les capacités à acquérir un signal porteur d’information suffisante pour l’identification des composés ciblés (§ 2). Il existe des alternatives à la CG-SM/SM qui sont proposées à titre de comparaison (§ 3). Enfin, des applications dans les principaux domaines d’intérêt de la CG-SM/SM (§ 4) sont abordées pour illustrer les potentialités de cette technique en spectrométrie de masse moderne.
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KEYWORDS
quadrupole ions filter | Orbitrap | tandem mass spectrometry
VERSIONS
- Version archivée 1 de mars 2000 par Michel SABLIER
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion et perspectives
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4. Domaines d’applications du couplage CG-SM/SM
Ce dernier paragraphe présente des exemples d’application du couplage CG-SM/SM dans les principaux domaines analytiques où son utilisation s’est avérée nécessaire pour caractériser de façon irrévocable les échantillons analysés. Le tableau 2 rassemble ces exemples avec les techniques utilisées et les limites de détection obtenues. Parmi les domaines concernés, l’industrie pétrolière, la chimie de l’environnement, le contrôle qualité agroalimentaire et les sciences légales illustrent tout particulièrement les applications du couplage CG-SM/SM.
L’industrie pétrolière est certainement un exemple emblématique où la chromatographie en phase gazeuse couplée à des systèmes de détections spécifiques et, en particulier, la spectrométrie de masse y est couramment utilisée pour caractériser les huiles, les distributions des composés à base d’hétéroatomes ou les distributions de biomarqueurs. Le développement d’appareils CG-SM commerciaux « de table » (benchtop), en réduisant le coût de l’investissement, a grandement facilité l’implantation de cette technique comme technique de routine. Le couplage CG-SM ne suffit cependant pas pour différencier des composés biomarqueurs qui peuvent résulter de transformations chimiques à partir d’un précurseur commun. Leur caractérisation précise présente pourtant un réel intérêt pour sonder, contrôler ou déterminer l’origine d’échantillons pétroliers. Le couplage CG-SM/SM a ainsi permis de développer de nouvelles méthodes d’investigation donnant des résultats pertinents, du fait de la sélectivité de l’analyse issue, d’une part, de la séparation chromatographique des différentes familles de composés et, d’autre part, de leur identification par SM/SM. Les différentes familles de biomarqueurs présents possèdent des squelettes carbonés identiques qui conduisent, dans leurs spectres de masse en mode d’ionisation par impact électronique, à des ions caractéristiques de ces structures. L’utilisation, lors du couplage CG-SM/SM, des techniques de SRM ou de MRM permettent, en fixant les rapports m/z des ions moléculaires précurseurs et de l’ion produit attendu pour une famille donnée, de résoudre en tout ou en partie les homologues et isomères de ces composés présents...
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Domaines d’applications du couplage CG-SM/SM
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BUSCH (K.L.), GLISH (G.L.), McLUCKEY (S.A.) - Mass spectrometry/mass spectrometry : techniques and applications of tandem mass spectrometry. - VCH Publishers, Inc. New York (1988).
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(2) - McLAFFERTY (F.) - Tandem mass spectrometry. - Wiley, New York (1983).
-
(3) - HOLLAND (J.F.), ENKE (C.G.), ALLISON (J.), STULTS (J.T.), PINKSTON (J.D.), NEWCOME (B.), WATSON (J.T.) - Mass spectrometry on the chromatographic time scale : realistic expectations. - Anal. Chem., 55, p. 997A-1012A (1983).
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(4) - FERRER (I.), THURMAN (E.M.) - Advanced techniques in gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS-MS and GC-TOF-MS) for environmental chemistry. - In Comprehensive Analytical Chemistry BARCELO (D.) ed., Elsevier eds., vol. 61, Amsterdam (2013).
-
(5) - BATEMAN (R) - Sector instruments for chemical analysis and research. - Int. J. Mass Spectrom, 377, p. 281-294 (2015).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1 Bases documentaires Internet
Spectroscopynow, base gérée par les éditions Wiley, nombreux liens relatifs à la spectrométrie de masse : constructeurs, laboratoires universitaires anglo-saxons, etc. http://www.spectroscopynow.com
Agence européenne pour l’environnement https://www.eea.europa.eu/fr
US environmental protection agency, protocoles d’analyse selon la législation américaine téléchargeables en ligne http://www.epa.gov
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Forum Labo produits, solutions et nouveautés dans les domaines de la recherche, l’analyse et le contrôle https://www.forumlabo.com/
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