spectromètre de masse

Qu’est-ce qu’un spectromètre de masse ?

Un spectromètre de masse (MS) est un instrument qui ionise les molécules d’un échantillon puis détecte et identifie le rapport masse/charge (m/z) des ions produits.

Lorsque les molécules sont ionisées, elles volent sous l’effet des forces électrostatiques.

Un spectromètres de masse est un analyseur qui sépare et détecte les ions en vol en fonction de leur rapport masse/charge (m/z) par une action électrique, magnétique ou autre dans le vide. L’instrument se compose principalement d’une section d’introduction de l’échantillon, d’une source d’ions, d’une section de séparation de masse et d’un détecteur.

Il en existe plusieurs types selon les méthodes d’ionisation et de séparation de masse, utilisées en fonction de l’échantillon à mesurer et de l’usage. Les spectromètres de masse permettent principalement d’identifier des échantillons et d’analyser la composition d’échantillons inconnus. Ils distinguent et détectent également les isotopes.

Utilisations des spectromètres de masse

Les spectromètres de masse sont utilisés pour l’analyse qualitative et quantitative d’un large éventail de molécules, des composés de faible poids moléculaire aux composés de poids moléculaire élevé tels que les protéines et les polymères synthétiques.

Comme il s’agit d’une méthode analytique efficace pour identifier des substances connues et déterminer la structure de substances inconnues, le spectromètre de masse est largement utilisé en chimie organique, en biochimie et autres domaines chimiques et biologiques. Plus précisément, il est employé dans la recherche et le développement, le contrôle de la qualité, l’analyse et les tests liés à divers produits agrochimiques, produits pharmaceutiques et composés d’origine naturelle.

Ces dernières années, comme il est devenu possible d’ioniser des protéines de poids moléculaire élevé, les domaines des sciences de la vie et de la médecine utilisent aussi cette méthode.

Principe des spectromètres de masse

Le spectre de masse est obtenu dans la séquence d’étapes suivante :

1. L’échantillon est introduit dans l’instrument par l’introduction de l’échantillon.
2. L’échantillon est ionisé par la source d’ions.
3. Dans la section de séparation de masse, l’échantillon est séparé en utilisant les différentes magnitudes de l’action reçue du champ magnétique ou électrique en fonction du m/z, et est détecté par le détecteur.

Dans les spectromètres de masse, outre les ions à charge unique, dans lesquels la molécule de l’échantillon ne possède qu’une seule charge, des ions multivalents chargés de plus de deux charges, des ions fragments produits par dissociation ou des ions agrégats produits par l’association d’échantillons entre eux peuvent être produits et détectés respectivement. Les pics ont aussi généralement une distribution inhérente dérivée du rapport isotopique de la molécule d’origine.

Types de spectromètres de masse

Il existe différents types de spectromètres de masse, classés principalement en fonction de la combinaison du type de source d’ions et du type de séparateur de masse. Par exemple, ils sont décrits comme “MALDI-TOF-MS” ou “ESI-TOF-MS”.

1. Section d’introduction de l’échantillon

Certains spectromètres de masse comportent une section d’introduction de l’échantillon précédée d’une combinaison d’autres instruments, sont utilisés dans la recherche et le développement et le contrôle de la qualité. Il s’agit par exemple de la LC-MS combinée à la chromatographie liquide, de la GC-MS combinée à la chromatographie en phase gazeuse et de la ICP-MS combinée au plasma à couplage inductif.

2. Sources d’ions

Méthode EI(Ionisation électronique)
Des électrons accélérés entrent en collision avec des molécules aérées thermiquement (M) dans un vide poussé. Les électrons sont ensuite éjectés de la molécule, produisant des cations radicaux (M+) appelés ions moléculaires.

Méthode ESI (ionisation par électronébuliseur)

1. La solution de l’échantillon est d’abord introduite dans un capillaire auquel on applique une haute tension.
2. Un gaz atomisant (gaz de nébulisation) est pulvérisé à l’extérieur du capillaire pour former des gouttelettes chargées.
3. Au fur et à mesure que les gouttelettes chargées se déplacent, le solvant s’évapore et le champ électrique de surface augmente. La force de répulsion entre les charges finit par dépasser la tension superficielle du liquide, ce qui provoque la séparation des gouttelettes.
4. La répétition de l’évaporation et de la séparation finit par libérer les ions de l’échantillon dans la phase gazeuse.

Méthode MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation)
Cette méthode consiste à mélanger un échantillon à une matrice, tel qu’un composé organique aromatique, pour former des cristaux qui sont ensuite ionisés par irradiation laser. La gamme de poids moléculaire applicable est extrêmement large, de 1 à 10 000 000. Cette méthode présente comme caractéristique majeure d’ioniser de manière stable des composés de poids moléculaire élevé tels que les protéines.

Méthode FAB (Fast Atom Bombardment)
Cette méthode ionise les molécules de l’échantillon en les faisant entrer en collision avec une matrice telle que le glycérol et une solution d’échantillon dissoute dans un solvant organique, qui est ensuite  agitée et bombardée avec des atomes neutres à grande vitesse.

Parmi les autres méthodes, citons les méthodes CI, FD, APCI et ICP.

3. Section de séparation des masses

Quadripôle (Q)
Cette méthode utilise quatre tiges d’électrodes et applique une tension à haute fréquence aux ions émis par la source d’ions. Les tiges d’électrodes sont soumises à des tensions continues et alternatives qui créent un champ électrique dans lequel seuls les ions ayant un certain m/z peuvent atteindre le détecteur.

Cette méthode permet, en principe, de mesurer tous les ions de la gamme m/z souhaitée en faisant varier linéairement la tension alternative tout en maintenant un rapport constant entre les tensions continue et alternative.

Type à double focalisation
Il s’agit d’un des séparateurs de masse du type secteur magnétique (Secteur magnétique). Dans ce type de séparateur, les ions passent à travers un champ magnétique et le changement de trajectoire dû aux forces de Lorentz qu’ils subissent est utilisé. Le type à double focalisation combine spécifiquement les secteurs de champ magnétique et électrique pour obtenir à la fois la vitesse et la convergence directionnelle des ions.

Temps de vol (TOF)
Technique dans laquelle un champ électrique d’intensité connue accélère un échantillon ionisé et détecte la différence de temps entre l’arrivée de chaque ion au détecteur ; plus le m/z est élevé, plus la vitesse de vol est lente et plus il faut de temps aux ions pour atteindre le détecteur, utilisé pour identifier chaque ion. En principe, il n’y a pas de limite à la gamme de masse mesurable.

Les autres méthodes comprennent le piège à ions (IT), la résonance cyclotronique des ions par transformation de Fourier (FT-ICR), la spectrométrie de masse par accélérateur (AMS).