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RÉSUMÉ
Cet article se focalise sur les parties constitutives d’un spectromètre de masse qui permettent de détecter un ion préalablement formé à partir d’une molécule organique dans une source d’ionisation et d’en mesurer son rapport masse sur charge. Les théories physiques nécessaires à la compréhension du fonctionnement des analyseurs sont utilisées et les performances de ces dispositifs sont comparées. La spectrométrie de masse en mode MS-MS ou MS est ensuite présentée en proposant un choix d’analyseurs adaptés à ce type d’expérience et les méthodes d’activation d’ions nécessaires à l’obtention de spectres d’ions fragments.
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This article focuses on the constitutive parts of a mass spectrometer that permit the detection of an ion previously produced in an ion source from an organic molecule and the measurement of its mass-to-charge ratio. Physical theories that explain the operation of the analyzers are set out, and the performance of these devices are compared. MS or MS-MSn mass spectrometry is presented, with a choice of analyzers available for research experiments, and the ion activation methods necessary to obtain product ion spectra.
Auteur(s)
-
David RONDEAU : Professeur à l’Université de Bretagne Occidentale (Brest) - Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes, France
INTRODUCTION
Si on se focalise sur un champ d’application dédié à l’analyse moléculaire, il est possible de considérer que la spectrométrie de masse possède une caractéristique spécifique qui la distingue des méthodes d’analyses spectroscopiques impliquant l’absorption de rayonnements dans le domaine des micro-ondes, de l’infrarouge (IR) [P 2 845], de l’ultra-violet (UV) ou dans le contexte de la résonance magnétique nucléaire (RMN) [P 1 092]. Ces techniques d’identification de molécules ou de quantification de leur présence dans un milieu donné sont des méthodes de mesures physiques. Elles ont pour principe une modification temporaire de la propriété des corps chimiques étudiés, l’absorption (ou la diffusion pour l’effet Raman [P 2 865]) d’énergie conduisant à la formation d’un état excité d’une partie ou de la totalité de la molécule. Le principe de ces techniques d’analyses spectroscopiques est alors de mesurer l’énergie absorbée ou restituée après retour de l’espèce excitée à un état énergétiquement plus stable, qui peut être l’état initial. En spectrométrie de masse, la mesure consiste à disposer de la valeur en rapport m/z d’une entité chimique chargée en reliant les paramètres de fonctionnement d’une partie du système appelée analyseur, aux caractéristiques de masse moléculaire et de charge de l’ion. Mais, contrairement aux techniques spectroscopiques d’analyses référencées ci-dessus, la spectrométrie de masse est davantage à appréhender comme une méthode nécessitant de créer chimiquement des nouveaux corps (par ionisation de molécules ou séparation des charges d’un sel) en plus des mesures physiques, parce qu’elle implique une étape de production d’espèces chargées (par des réactions d’ionisation) avant leur séparation et la mesure de leur rapport m/z. La description de l’étape chimique d’ionisation fait l’objet d’un article dédié à ce processus [P 2 645]. Le présent article se focalise sur les deux étapes physiques de séparation et de détection des ions en relation avec la description des analyseurs et des détecteurs qui leur sont associés au sein du spectromètre de masse. Il existe différents types d’analyseurs dont la spécificité d’action sur les ions va déterminer l’opportunité de leur utilisation. On peut les classer en deux grandes catégories, celle des dispositifs à « faisceau d’ions » et celle des dispositifs à « piégeage d’ions ». Chacune d’elles peut être scindée en deux modes de fonctionnement que l’on nomme successivement « sans balayage » et « avec balayage ». En spectrométrie de masse, la reconnaissance chimique peut s’effectuer grâce à l’interprétation du spectre de fragmentation des ions produits à partir d’une molécule ionisée. Cependant, dans le cas de la présence de mélanges chimiques dans la source ou lorsque l’ionisation seule ne produit pas assez de fragments, la caractérisation structurale peut être facilitée grâce aux méthodes de dissociations spécifiques des ions qui sont disponibles au travers de l’utilisation des spectromètres de masse en tandem, MS-MS ou MSn. Une attention particulière est portée à ces dispositifs qui permettent aussi d’améliorer les performances de cette instrumentation scientifique. Dans chaque cas, les propriétés offertes par les différents systèmes, sont mises en perspective avec des applications analytiques envisagées.
MOTS-CLÉS
traitement du signal Analyseur à temps de vol Filtre ionique quadripolaire Piège ionique quadripolaire Orbitrap Multiplicateur d'électrons
KEYWORDS
signal processing | time-of-flight mass spectrometer | quadrupole ions filter | quadrupole ion trap | Orbitrap | electron multiplier
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Caractéristiques des analyseurs
Ainsi que l’illustre la figure 1, l’analyseur est l’élément constitutif d’un spectromètre de masse qui conduit au tri des ions selon leur rapport m/z en les faisant transiter de la source vers le détecteur. Le comportement de l’ion doit être alors compatible avec les caractéristiques de fonctionnement de l’analyseur.
Le rapport masse sur nombre de charges d’un ion noté m/z est une abréviation représentant une quantité sans dimension. Elle est utilisable comme une variable indépendante d’un spectre de masse où l’intensité des ions détectés est reportée en fonction de la valeur m/z. Dans le rapport m/z, m est le quotient de la masse d’un ion (en kg) sur l’unité de masse atomique (u), celle-ci étant définie comme le 12e de la masse de l’isotope 12 du carbone (12C) pris dans son état fondamental et qui vaut 1,660538921 × 10–27 kg ; la notation z est sans dimension et désigne le nombre de charge (sans référence à son signe).
Dans ses recommandations de 2013, l’Union internationale de chimie pure et appliquée précise que l’abréviation m/z ne doit pas être utilisée comme variable dans des équations mathématiques et qu’il faut lui préférer la variable m considérée dans ce cas en kg et la quantité q en A · s (dans les unités du système international, SI) ou en Coulomb (C en unité dérivée du SI). Dans ce cas, q = ze, avec dans cette expression, e la charge élémentaire valant 1,602176565 × 10–19. On note que 1 électronvolt (eV) représente l’énergie d’une particule accélérée sous une différence de potentiel de 1 V (J · A–1 · s–1 en unité SI) telle que 1 eV = 1,602176565 × 10–19 J.
En résumé, dans ce texte, l’abréviation m/z (sans unité) est utilisée lorsque l’on se réfère à la valeur du rapport de la masse sur la charge d’un ion mesuré par spectrométrie de masse, alors que le rapport m/q (en kg/C) est employé pour rendre compte de l’influence...
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BIBLIOGRAPHIE
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-
...
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WebBook de Chimie NIST. Base de données standard de référence NIST http://webbook.nist.gov/chemistry/
Principaux constructeurs de spectromètres de masse http://www.sisweb.com
Ressource documentaire gratuite contenant une section dédiée à la spectrométrie de masse http://www.spectroscopynow.com
Ressource documentaire gratuite contenant des tutoriels, des conseils, des tables de références et des liens utiles en spectrométrie de masse http://www.ionsource.com
Société française de spectrométrie de masse http://www.sfsm.fr/
Congrès annuels français de spectrométrie de masse http://www.sfsm.fr/fr/actions-sfsm/congres-annuel
Journaux internationaux à comité de lecture dédiés à la spectrométrie de masse
Journal of Mass Spectrometry http://www3.interscience.wiley.com
Rapid...
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