Spectrométrie de masse

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1 Spectrométrie de masse par René BTTER Professeur Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires (INSTN) CEN Saclay et Guy BUCHUX Professeur Université Paris XI (rsay) École Polytechnique, DCMR (Palaiseau) 1. Principe et appareillage... PE Caractéristiques générales Introduction de l échantillon Sources d ions Bombardement électronique (El) Ionisation chimique (CI) Photo-ionisation Ionisation par désorption d ions Ionisation par nébulisation Thermo-ionisation Sources à décharge électrique Comparaison des méthodes d ionisation Analyseurs Analyseurs magnétiques à simple focalisation Analyseurs électrostatiques Analyseurs à double focalisation Performances des analyseurs magnétiques à simple ou à double focalisation Spectromètres de masse à résonance cyclotronique ionique et à transformée de Fourier (FTICR et FTMS) Spectromètres de masse quadripolaires Spectromètres de masse à temps de vol (TFMS) Spectromètres de masse tandem (MS/MS) Comparaison des différents types d analyseurs Détection Détecteurs Électronique de mesure Système informatique Vide Analyse organique Analyse structurale Masses moléculaires Motifs isotopiques Détermination de masses exactes Bibliothèques de spectres Impact électronique Ionisation chimique Ionisation - désorption et ionisation - désolvatation Analyse quantitative Analyse isotopique Analyse isotopique des gaz Analyse isotopique des solides Analyse élémentaire des composés minéraux Torche à plasma (ICPMS) Thermo-ionisation Décharge luminescente Spectrométrie de masse à étincelle Spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) Spectrométrie de masse par désorption laser Pour en savoir plus... Doc. PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

2 SPECTRMÉTRIE DE MASSE L e principe de fonctionnement d un spectromètre de masse repose sur l action d un champ électromagnétique sur une particule chargée afin, en particulier, d en déterminer le rapport masse/charge. La mise au point des premiers spectromètres de masse date du début de ce siècle. Ils ont permis de déterminer la composition isotopique des éléments. Toutefois, les premières applications à l analyse de substances organiques n apparaîtront qu aux alentours des années Durant les années 1950 à 1980, une première génération d instruments a pu fournir de nombreuses informations sur les molécules organiques aisément vaporisables, ce qui correspond globalement à des masses moléculaires inférieures à 500 u (unité de masse atomique unifiée). Les applications dans les domaines de l analyse isotopique (où la spectrométrie de masse est la seule méthode universelle) ou inorganique ont été également importantes. À partir de 1980, le domaine d utilisation de la spectrométrie de masse s est élargi aux composés biologiques grâce à la découverte de nouvelles techniques permettant de produire des ions à partir de molécules de plusieurs centaines de milliers d unités de masse atomique. Actuellement, la spectrométrie de masse est utilisée dans des domaines aussi variés que la médecine, la biologie, la pharmacologie, la chimie organique et minérale, l électronique, la science des matériaux, la physique des surfaces, la pollution, la géologie, le nucléaire... La spectrométrie de masse permet d identifier et de doser une substance ou un élément à l aide de la mesure du rapport masse/charge d ions issus de l échantillon. L un des principaux avantages de cette technique est d apporter des informations à partir d une quantité minime d échantillon (du mg au pg). À l heure actuelle, il est possible d obtenir un spectre de masse de la plupart des substances minérales, organiques ou bio-organiques dont la masse moléculaire peut atteindre quelques centaines de milliers d unités de masse atomique. Le premier renseignement apporté par un spectre de masse est la masse moléculaire et, éventuellement, la composition élémentaire de la molécule échantillon. Nous verrons que ces indications sont dépendantes de la méthode d ionisation et des performances de l instrument. La structure moléculaire peut également être déduite du spectre de masse après analyse des dissociations ioniques spontanées ou induites par collision. Enfin, un spectromètre de masse peut être utilisé comme détecteur à haute sélectivité en couplage avec un chromatographe en phase vapeur ou liquide, ses applications vont de la détection de traces à l identification des constituants d un mélange. Abréviations des méthodes APCI Atmospheric Pressure Chemical Ionization LC/MS Liquid Chromatography/Mass Spectrometry CI Chemical Ionization LDMS Laser Desorption Mass Spectrometry DCI Desorption Chemical Ionization LMMS Laser Microprobe Mass Spectrometry EI Electron Impact LSIMS Liquid SIMS ES Electrospray MALDI Matrix Assisted Laser Desorption Mass Spectrometry FAB Fast Atom Bombardment MIKE Mass Analyzed Ion Kinetic Energy FTICR Fourier Transform-Ionic Cyclotronic Resonance MS/MS Mass Spectrometry/Mass Spectrometry FTMS Fourier Transform - Mass Spectrometry PDMS Plasma Desorption Mass Spectrometry GC/MS Gas Chromatography/Mass Spectrometry SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry GDMS Glow Decharge Mass Spectrometry SSMS Spark Source Mass Spectrometry HPLC High Performance Liquid Chromatography TFMS Time of Flight Mass Spectrometry ICPMS Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry TS Thermospray 1. Principe et appareillage substance contenue dans l échantillon, de déterminer sa masse moléculaire, et d identifier certains éléments structuraux. Le spectromètre de masse permet de mesurer la masse d un ion et de déterminer son abondance. Lorsqu une molécule polyatomique est introduite dans l appareil, son ionisation produit généralement plusieurs types d ions de masses distinctes. Le relevé des abondances de ces ions en fonction de leur rapport masse/charge (rapport m/z) constitue le spectre de masse (figure 1). D un point de vue analytique, un tel spectre permet de caractériser et de doser la u = unité de masse atomique unifiée, 1/12 de la masse de 12 C (voir Nomenclature and symbolism for mass spectrometry. Pure and Applied Chemistry 63, p , 1991). Le dalton = u est parfois employé en spectrométrie de masse, mais cette dénomination n a pas été adoptée par l IUPAC jusqu à présent. PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

3 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Abondance m / z L'intensité des pics est représentée sous forme de barre après traitement des données par ordinateur. En réalité, chacun des pics a une largeur finie due au pouvoir de résolution limité du spectromètre de masse N 161 C 6 H 5 m = Un spectromètre de masse est composé d un système d introduction, d une source d ions (ces deux parties étant parfois indissociables), d un analyseur et d un ensemble de détection d ions. Pratiquement tous les spectromètres commerciaux sont aujourd hui équipés d un système informatique de pilotage et de traitement des données. Les techniques d ionisation ont longtemps limité l usage de la spectrométrie de masse aux composés gazeux ou vaporisables sans décomposition thermique (ionisation par bombardement électronique ou par ionisation chimique) et aux composés solides susceptibles d être ionisés par bombardement ionique, par étincelle ou par thermo-ionisation. La mise au point relativement récente des méthodes d ionisation-désorption et d ionisation-désolvatation a permis d étendre le domaine d étude à toute une classe de molécules biologiques non volatiles et thermolabiles. La détermination des masses atomiques exactes ou la séparation d ions ne différant que par quelques fractions d unité de masse atomique ont nécessité le développement d analyseurs à très grand pouvoir de résolution (m/ m = et plus) comme les spectromètres de masse magnétiques à double focalisation ou les spectromètres à résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier. L étude de molécules de masses moléculaires élevées exige en outre la possibilité de transmission des ions correspondants par l analyseur. La détermination des structures de molécules complexes se fait par l étude des produits de dissociation des ions moléculaires ou pseudo-moléculaires ; la fragmentation est obtenue soit directement dans le cas de l ionisation par bombardement électronique, soit par collision d ions sélectionnés en masse avec un gaz neutre et analyse des fragments dans les instruments constitués de plusieurs spectromètres en série (MS/MS) ou par des analyseurs dans lesquels les ions peuvent être séparés en temps (résonance cyclotronique ionique, piège à ions). Les détecteurs, quant à eux, ont profité des progrès de la microélectronique, mais la détection d ions de masse très élevée (supérieure à quelques dizaines de ku) présente encore quelques difficultés. De plus, le traitement de l information et le pilotage de l appareillage ont été grandement simplifiés par l utilisation de la micro-informatique. La figure 2 présente un schéma de principe d un spectromètre de masse. Ses éléments constitutifs sont au nombre de cinq : un système d'introduction qui permet de faire entrer la substance à analyser dans le spectromètre de masse : le système va dépendre de la nature de l'échantillon : gaz, liquide, solide ; une source d'ions qui a pour rôle soit d'ioniser l'échantillon (vaporisé, déposé pur ou en mélange avec une matrice...), soit d'assurer la nébulisation et la désolvatation d'ions préformés. Il existe actuellement de nombreuses méthodes d'ionisation, chacune étant adaptée à la nature de l'échantillon et au type d'analyse à effectuer, son choix est donc crucial. La source d'ions a, de plus, pour rôle d'extraire et de transmettre les ions dans la partie analyseur de l'instrument ; un analyseur dont le but est de trier les ions en fonction de leur rapport masse/charge ; ce tri est réalisé par l'application et le balayage d'un champ magnétique ou électrique ; un détecteur qui est constitué d'un collecteur et d'un ensemble électronique de mesure et d'amplification des signaux associés aux ions de différentes masses séparés par l'analyseur ; à cet ensemble de détection est généralement associé un ensemble informatique de traitement des données utilisé également au pilotage des divers étages de l'instrument. Figure 1 Spectre de masse de la 3-phénylisoxazole-5(4H)-one par bombardement électronique 1.1 Caractéristiques générales Les ions produits dans la source doivent pouvoir être extraits puis parcourir l analyseur et être finalement collectés sans subir de collisions avec des molécules résiduelles, ce qui aurait pour effet de dévier leurs trajectoires ou de changer leurs masses. C est pourquoi un système de pompage, qui maintient sous un vide poussé (10 4 à 10 6 Pa) les parties source, analyseur et collecteur du spectromètre de masse, est également un élément essentiel d un spectromètre de masse. 1.2 Introduction de l'échantillon Gaz Introduction de l'échantillon (gaz, liquide, ou solide) Source d'ions Analyseur de masse (magnétique quadripolaire, etc.) Collecteur d'ions Figure 2 Éléments d un spectromètre de masse Ensemble de traitement de données Le schéma d un système classique d introduction d un gaz (pur ou mélange) dans la source d un spectromètre de masse est donné sur la figure 3. Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

4 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Réserve de gaz Fuite Source d'ions lité de détection (séparateurs à jet, effusif, à membrane). Dans le cas de colonnes capillaires, le flux total peut être envoyé dans la source du spectromètre grâce à l utilisation de pompes puissantes. Ce couplage direct peut être étanche (via un bloc chauffé) ou ouvert (open-split). Le couplage chromatographe phase gazeuse-spectromètre de masse permet l étude de composés thermiquement stables de masse moléculaire inférieure à environ u [54] Chromatographie en phase liquide (HPLC) Vide Manomètre Figure 3 Système d introduction de gaz Le gaz est placé dans un réservoir sous une pression pouvant aller de quelques centaines de Pa à la pression atmosphérique et plus. Une fuite capillaire de conductance fixe ou une vanne, dont la conductance peut varier soit manuellement, soit automatiquement, est placée entre le réservoir et la source d ions. Cette fuite permet d introduire le gaz dans la source en faisant chuter la pression depuis celle du réservoir (> 10 2 Pa) jusqu à celle de la source d ions (< 10 2 Pa). L écoulement dans la fuite peut être moléculaire ou visqueux, le pompage de la source se fait toujours en régime moléculaire. Dans le cas de l écoulement moléculaire, le débit est inversement proportionnel à la racine carrée de la masse des molécules, la composition du mélange dans la source est identique à celle dans le réservoir (le pompage étant moléculaire pour les deux compartiments) mais elle s appauvrit en éléments légers au fur et à mesure du pompage du gaz. Dans le cas de l écoulement visqueux, aucun fractionnement n a lieu dans la fuite donc la composition du mélange est légèrement différente dans la source par suite du pompage moléculaire de celle-ci, mais elle reste constante dans le temps. L ensemble d introduction du gaz peut être chauffé jusqu à 350 o C. Tous les gaz et les composés stables ayant une tension de vapeur supérieure à quelques centaines de Pa à la température du système d introduction sont injectés dans la source d ions à l aide de cet ensemble Liquides et solides Si leur tension de vapeur est suffisante, les échantillons liquides ou solides sont directement introduits dans la réserve du système d introduction des gaz ( 1.2.1). Sinon, ils sont placés au bout d une canne coulissante qui est introduite directement dans la source d ions par l intermédiaire d un sas sous vide. Le bout de la canne peut être chauffé ou refroidi selon la tension de vapeur du composé à analyser Chromatographie en phase gazeuze Le spectromètre de masse est souvent utilisé comme détecteur en chromatographie pour l identification et la quantification des composés séparés. Le flux gazeux provenant d un chromatographe équipé d une colonne remplie est généralement trop important pour pouvoir être envoyé directement dans le spectromètre de masse tout en maintenant la source d ions à une pression d environ 10 2 Pa. Une partie du flux gazeux de sortie du chromatographe est prélevée à l aide d une interface et introduite dans la source d ions du spectromètre de masse. Ces interfaces chromatographe-spectromètre permettent de plus d effectuer un enrichissement de l échantillon par rapport au gaz vecteur afin d augmenter la sensibi- Le couplage du chromatographe avec le spectromètre de masse doit assurer la vaporisation du soluté et de l éluant dont le débit doit être limité. Différentes interfaces d introduction directe ont été développées pour le couplage HPLC-MS, comme la courroie de transport mobile, le mélange avec un gaz vecteur pour l ionisation à pression atmosphérique, l introduction directe par le thermospray, le particle beam et surtout l électrospray. n notera également la possibilité de désorption directe par la technique de «FAB continu» [54] Dépôts purs ou en matrices L ionisation de produits non volatils est effectuée par des techniques de désorption d ions soit à partir de solides (analyse de surfaces), soit à partir de composés solides ou liquides préalablement déposés sur un substrat rigide. Dans le cas de l analyse de solides ou de surfaces, l échantillon est introduit : soit directement, sans traitement particulier, par l'intermédiaire d'un sas sous vide dans la chambre d'ionisation où il est positionné mécaniquement ; soit, pour l'étude des surfaces, après nettoyage sous ultravide, par bombardement ionique dans une chambre intermédiaire couplée par un sas sous vide à la source d'ions. L analyse des molécules biologiques thermolabiles pose des problèmes particuliers. Avant de les introduire dans le spectromètre de masse, ces molécules doivent être déposées sur un substrat métallique (Ag, Al, Au, Pt, etc.) soit pures, soit dissoutes dans une matrice qui peut faciliter leur désorption sous forme d ions. Pour cela, l échantillon est préalablement dissous dans de l eau ou dans un mélange eau/alcool ou eau/acétonitrile. Cette solution est déposée directement ou par projection sous vide sur le support métallique et on obtient, après évaporation du solvant, un dépôt qui est introduit dans le spectromètre à l aide d un sas. L utilisation d une matrice nécessite un mélange préalable de la solution de l échantillon avec une solution de la matrice. C est cette nouvelle solution qui est ensuite déposée sur le substrat et, après évaporation du solvant, introduite dans la source du spectromètre de masse. Certains mécanismes d ionisation nécessitent une technique d introduction spéciale de l échantillon. Ces cas particuliers seront décrits en même temps que la technique d ionisation. 1.3 Sources d'ions Ce paragraphe passe en revue les nombreuses techniques d ionisation actuellement utilisées en spectrométrie de masse. Nous insisterons plus particulièrement sur les techniques les plus courantes, à l exception de celles qui sont décrites plus spécialement dans d autres articles de ce traité. Les techniques varient selon la nature de l échantillon (gaz, liquide, solide) et le type d analyse (élémentaire, structurale, etc.). PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

5 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Bombardement électronique (El) Les sources à bombardement électronique sont utilisées pour l analyse des gaz et des produits vaporisables tant organiques qu'inorganiques. L ionisation par bombardement électronique produit des ions parents qui permettent de déterminer la masse moléculaire des produits à analyser et des ions fragments qui permettent d accéder à la structure moléculaire. Les spectres obtenus sont de bonne reproductibilité et, de plus, comme c est l une des techniques les plus anciennes, son utilisation a été bien systématisée et il existe des banques de données qui permettent le traitement informatique des spectres obtenus. Cette technique d ionisation a été l une des premières à être appliquée à l ionisation des gaz organiques ou inorganiques, elle reste encore aujourd hui la méthode la plus utilisée avec sa proche parente, l ionisation chimique. L ionisation par impact électronique repose sur l interaction entre un faisceau d électrons et les molécules M de l échantillon vaporisé. Lorsque l énergie cinétique des électrons [E (e )] est de l ordre de 10 à 100 ev, les ions formés résultent essentiellement des réactions d ionisation : M e M 2 e où la notation M désigne un ion radicalaire, et de dissociation : M e (M )* 2 e A B 2 e où A et B sont les fragments issus de M, et où la notation M* désigne un état excité (cf. figure 36). Si I (M ) représente le courant d ions, I 0 (e ) le courant d électrons, σ la section efficace d ionisation, n le nombre de molécules par unité de volume et la longueur d interaction entre les électrons et les molécules M, alors : I (M ) = I 0 (e ) [1 exp ( σn )] (1) soit, pour σ n petit : I (M ) = I 0 (e ) σn La probabilité d ionisation est proportionnelle à la section efficace d ionisation. Sa valeur croît en fonction de l énergie des électrons jusqu à atteindre un maximum situé vers 70 ev et diminue ensuite. L énergie interne déposée dans l ion moléculaire M par des électrons d énergie E(e ) est située entre 0 et [E(e ) EI] (énergie des électrons moins énergie d ionisation de la molécule). Les ions possédant suffisamment d énergie interne peuvent se dissocier pour former des ions fragments ( 2.1.5). n peut également observer, mais en plus faible proportion, des ions porteurs de deux charges positives. Dans une source d ions à impact électronique, le gaz à analyser est généralement introduit à une pression d environ 10 2 Pa. Il est bombardé par un faisceau d électrons de 70 ev d énergie cinétique et de quelques ma d intensité. Les ions produits sont extraits et accélérés perpendiculairement au faisceau d électrons. Un exemple classique de source d ions (source de type Nier) est donné sur la figure 4. La source proprement dite est une boîte (chambre d ionisation) dans laquelle pénètre le gaz par un tube isolé électriquement. Les électrons sont émis par un filament de W, Ta, etc., chauffé à o C, ils sont ensuite accélérés à 70 ev et recueillis sur une anode (trappe) de l autre côté de la chambre d ionisation. Le faisceau d électrons est limité par des orifices à l entrée et à la sortie de la chambre. Les électrons sont confinés sur leur trajectoire par un champ magnétique dirigé parallèlement à la direction filament-trappe qui imprime aux électrons une trajectoire en spirale qui rallonge leur parcours et augmente la probabilité d ionisation. Les ions positifs produits sont extraits perpendiculairement au faisceau d électrons par un repousseur porté à un potentiel de quelques volts supérieur au potentiel de la chambre d ionisation ( à V). Les ions qui sortent de la chambre par une fente sont ensuite accélérés et focalisés par une série de plaques. Ils pénètrent dans l analyseur par une fente fine (0,01 à 1 mm) qui joue le rôle de source objet pour l optique du spectromètre. La chambre d ionisation est portée à une température de 150 o C environ par le filament. Elle peut être portée à plus haute température par un système de chauffage annexe ( o C) pour l analyse de produits peu volatils. Toutefois, ce chauffage supplémentaire entraîne une augmentation de l énergie interne des molécules et favorise la fragmentation des ions moléculaires dont l intensité peut être diminuée voire annulée. Repousseur d'ions (V 0 10V) Filament (W, Ta) (V 0 70 V) B Plaque d'extraction des ions (V 0 50V) Demi-plaque de déflexion (500 V ± 50 V) Introduction du gaz Figure 4 Principe d une source à gaz type Nier Le nombre d ions formés par seconde dans la source est de l ordre de ions/s (10 7 A) pour I (e ) 1 ma et une pression de 10 2 Pa, soit un rendement d environ 10 4 par rapport au nombre de molécules introduites dans la source. Cependant le rendement d extraction des ions de la source n est généralement que de l ordre de 1 à quelques pour-cent et parfois moins lorsque l on utilise des fentes sources très fines Ionisation chimique (CI) Boîte (V 0 = 2000 à 5000 V) Faisceau d'électrons (1) Trappe d'électrons (V 0 10V) Plaque de focalisation (V 0 100V) Faisceau d'ions Fente de sortie (0,01 à 1 mm) (0V) Analyseur (1) Les électrons ont une trajectoire en spirale dans le champ magnétique B d'une centaine de gauss. L ionisation chimique est souvent utilisée comme méthode complémentaire de l impact électronique. C est une méthode d ionisation douce qui communique peu d énergie interne aux ions formés ce qui limite ainsi leurs fragmentations. Ces ions sont généralement des ions «pseudo-moléculaires» [comme les ions (M H) ou (M H) de masse m 1 ou m 1, résultant d un échange de protons, ] à partir desquels il est souvent possible de déterminer la masse moléculaire de l échantillon. Mais un spectre de masse obtenu en mode d ionisation chimique associé éventuellement à la technique de spectrométrie de masse tandem apporte également certaines informations structurales ( 2.1.6). L ionisation chimique est, avec le bombardement électronique, la technique la plus utilisée en spectrométrie de masse pour ioniser des substances de masse moléculaire inférieure à u. Elle consiste à faire réagir, sur la molécule échantillon M, un ion réactif posi- Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

6 SPECTRMÉTRIE DE MASSE tif A ou négatif B formé à partir d un gaz précurseur de manière à produire des ions C / caractéristiques de la substance étudiée : M ou C / A B n favorise ce type de réaction soit en travaillant dans une chambre d ionisation à une pression de l ordre de 100 Pa, soit en confinant les réactifs durant un temps de l ordre de plusieurs secondes à pression réduite (piège à ions, résonance cyclotronique ionique, cf ). La source d ions utilisée en ionisation chimique est pratiquement identique à celle qui est utilisée en bombardement électronique (figure 4). La pression dans la chambre d ionisation étant 10 4 fois plus élevée dans le cas de l ionisation chimique que dans le cas de l impact électronique, les fentes d introduction des électrons et d extraction des ions sont réduites (de 1 à quelques dixièmes de mm 2 ) afin de limiter le débit de gaz. La pression dans l enceinte extérieure à la source (environ 10 2 Pa) est maintenue grâce à un débit de pompage de quelques centaines de litres par seconde. L énergie cinétique des électrons assurant l ionisation du gaz précurseur est plus élevée (de 100 à 500 ev) afin de les faire pénétrer sur une distance suffisante dans la chambre d ionisation. Le gaz précurseur des ions réactifs et l échantillon sont soit introduits séparément dans la chambre d ionisation, soit mélangés avant introduction. Les rendements d ionisation dans la chambre d ionisation sont très élevés (quelques %) car les sections efficaces des réactions ionmolécules observées sont généralement grandes. De plus, la durée de vie des ions dans la source, déterminée par la vitesse de diffusion vers les parois, est assez élevée (de l ordre de 10 µs). Cependant, par la suite de la faible surface de la fente d extraction des ions, le rendement global d ionisation est voisin de celui d une source à bombardement électronique Ionisation chimique directe Les ions réactifs (A ou B ) sont formés dans la source d ions par bombardement électronique du mélange gaz précurseur-produit à analyser (rapport 100 : 1 environ), sous une pression totale d environ 100 Pa. Les gaz les plus utilisés comme précurseurs des ions réactifs A (ionisation chimique positive) sont le méthane, l isobutane et l ammoniac. Les ions A sont alors CH 5 et C 2 H (méthane), (isobutane) et (ammoniac). L ion C 5 CCH ( 3 ) 3 NH 4 résultant est formé par transfert de proton : M CH 5 MH CH 4 Les gaz précurseurs utilisés en ionisation chimique négative sont surtout N 2, CH 4 /N 2, NH 3 ou des composés halogénés. Dans ces conditions, les ions réactifs B sont, H, NH 2, ou des ions halogénure. Une autre manière de créer des ions négatifs est la capture résonnante d un électron directement par la molécule échantillon : attachement simple : M e M attachement dissociatif : M e A C Notons que l attachement électronique est également la première étape qui intervient lors de la formation des ions réactifs B mentionnés précédemment. Les énergies d attachement électronique étant toujours très faibles (sauf pour l attachement dissociatif), seuls les électrons de très faible énergie cinétique (de l ordre de 1 ev) peuvent être capturés. Dans une source à haute pression, les électrons sont thermalisés par collision et peuvent alors être capturés directement par les molécules échantillon M ; dans ce cas, la thermalisation des électrons est assurée par un gaz chimiquement inerte : N 2, CH 4, Ar... Les réactions d attachement électronique sont en général plus sélectives que les réactions ion-molécule et elles peuvent conduire, dans des cas favorables, à des rendements 100 fois supérieurs Ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) Cette technique peut être considérée comme une extension de l ionisation chimique, dont elle diffère par la pression du gaz précurseur (10 5 Pa pour l APCI, 100 Pa pour la CI) et par la structure de la source d ions. Les ions positifs ou négatifs sont produits, dans un courant de gaz vecteur, généralement N 2, à la pression atmosphérique soit par les radiations β d une source 63 Ni, soit par une décharge couronne (décharge luminescente). Les ions présents dans le flux gazeux sont échantillonnés à travers un petit orifice dans l enceinte sous vide et accélérés par un système de lentilles. Les ions primaires formés dans la décharge interagissent avec les molécules de gaz ou les impuretés (H 2, 2 ) pour donner des ions d association qui à leur tour vont ioniser les molécules de gaz à analyser selon divers processus. Généralement, on détecte les gaz de plus faible énergie d ionisation que le gaz porteur. Les échantillons à analyser sont introduits dans le jet de gaz sous forme de solution, par insertion directe sur une sonde ou par couplage direct d un chromatographe gazeux ou liquide. Le principal avantage de la méthode est son extrême sensibilité (au niveau de 10 3 ppm) Désorption chimique (DCI) Cette technique permet d ioniser des composés solides peu volatils mais néanmoins résistant à la chaleur et d étendre ainsi le champ d application de l ionisation chimique. L échantillon solide est placé sur la pointe d une sonde qui peut être chauffée par un filament ou bien directement sur le filament placé au bout de la sonde. La sonde est introduite, par l intermédiaire d un sas, dans la chambre d ionisation contenant le gaz réactant qui joue le même rôle que précédemment. Le filament est chauffé à plusieurs centaines de degrés à l intérieur du plasma d ionisation chimique. L ionisation s effectue au voisinage immédiat du filament de désorption, la mise en œuvre de cette technique est assez délicate car certains phénomènes d origine thermique viennent souvent compliquer le spectre Photo-ionisation Cette technique est surtout utilisée en recherche pour les études de mécanismes de formation des ions en phase gazeuse, pour l obtention de données spectroscopiques et thermodynamiques, ainsi que pour la détection d ultratraces. L énergie du rayonnement doit être supérieure à l énergie d ionisation des molécules (5 à 10 ev soit 250 à 125 nm). L utilisation de photons dans le domaine de l UV sous vide (5 à 50 ev) s est peu développée par suite du manque de sources de rayonnement intenses et de l absence de fenêtres transparentes dans ce domaine de longueur d onde pour faire pénétrer le rayonnement dans les enceintes sous vide. Cette situation a évolué depuis l utilisation du rayonnement synchroton et l apparition des lasers. Les différents mécanismes d ionisation sont schématisés sur la figure Ionisation monophotonique L interaction d un photon avec une molécule M peut, lorsque l énergie du photon est suffisante, induire une excitation de celle-ci (processus résonnant) ou une ionisation (processus à seuil) : M hν M ou M hν M e (E c ) PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

7 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Niveau d'énergie AB AB AB h ν h ν 2 AB Ionisation Ionisation monophotonique résonnante à 2 photons I II h ν 1 h ν 2 h ν 2 h ν 1 h ν 1 h ν 1 Ionisation résonnante à 3 photons III h ν 2 h ν 3 Ionisation multiple non résonnante IV La formation d'ions multichargés n'est pas figurée. Figure 5 Ionisation mono ou multiphotonique et par bombardement électronique de la molécule AB La probabilité d ionisation est donnée par : I i = I hν [1 exp (σ n )] I hν σ n avec I i intensité des ions, I hν intensité du faisceau de photons, σ section efficace d ionisation, E c (e ) E c1 (e ) E c2 (e ) Ionisation par bombardement électronique V n densité de molécules dans la zone d interaction, longueur d interaction. La section efficace est maximale au seuil d ionisation, puis elle décroît lorsque l énergie des photons croît. Elle est en général de 10 à 100 fois inférieure à celle obtenue par bombardement électronique. Elle varie entre et cm 2 au maximum selon les molécules. Les sources d ions sont identiques à celles utilisées en bombardement électronique, sauf dans le cas fréquent d utilisation d analyseur à temps de vol, où les fentes des plaques d extraction et d accélération sont remplacées par des grilles qui permettent une meilleure transmission. Les photons sont émis soit par des lampes à décharge de gaz rares qui produisent des raies discrètes ou des continuums dans des domaines d énergie restreints, soit par des particules accélérées (rayonnement synchrotron) qui produisent un rayonnement blanc allant de l IR lointain jusqu à des rayons X durs pour des particules de l ordre du GeV dans un synchrocyclotron. Un rayonnement monochromatique accordable est obtenu à l aide de monochromateurs Ionisation multiphotonique Les longueurs d onde pratiquement accessibles par les lasers sont actuellement limitées vers les courtes longueurs d onde (grandes énergies) à nm, soit 5 à 6 ev. En revanche, les lasers permettent d obtenir des fluences (énergie du faisceau par unité de surface) pouvant aller du MW/cm 2 au TW/cm 2, soit de 10 4 à fois supérieures à celles d une lampe ou du rayonnement synchrotron. Grâce à cette intensité, il est possible d accumuler plusieurs photons dans une molécule et de faire de l ionisation multiphotonique. Ionisation multiphotonique non résonnante : pour des longueurs d onde quelconques, l état intermédiaire est un état virtuel. La probabilité d ionisation multiphotonique est, dans ce cas, très faible, pour une transition biphotonique de l ordre de à cm 2. Pour mémoire, la section efficace d ionisation monophotonique est de l ordre de à cm 2. Ionisation multiphotonique résonnante : lorsque l état intermédiaire est un état réel de la molécule (état excité), les probabilités d ionisation multiphotonique sont considérablement accrues (de 10 ordres de grandeur par rapport à l ionisation non résonnante) : M hν 1 M* M* hν 2 M e (E c ) De plus, cette ionisation multiphotonique résonnante permet d ioniser sélectivement un seul composé moléculaire puisque l étape intermédiaire correspond à l excitation de cette seule espèce (figure 5 II et III). L ionisation peut être réalisée soit à une couleur si l état intermédiaire est situé à plus de la moitié de l énergie d ionisation, soit à deux couleurs dans le cas contraire ou si l on veut former l ion dans un état bien défini. Il est possible également de former l ion par absorption résonnante de 3 photons et plus. En champ très intense (de l ordre du TW et plus), obtenu à l aide de lasers très puissants, on peut former des ions multichargés mais on ne contrôle plus la formation d états spécifiques. Du fait du caractère pulsé des lasers généralement utilisés, le spectromètre de masse à temps de vol est le mieux adapté à cette technique d ionisation. La source d ions est très ouverte. Le gaz est introduit à l aide d un jet effusif ou d un jet supersonique, ce dernier permet de refroidir les molécules rotationnellement et vibrationnellement à quelques degrés Kelvin. Comme nous l avons vu précédemment, on utilise des grilles de quelques cm 2 avec des coefficients de transmission souvent voisins de 90 %, pour accélérer les ions. Étant donné la fluence des lasers, il est possible de saturer les transitions et d ioniser toutes les molécules présentes dans le volume d interaction. n a dans ce cas d excellents rendements en ions par impulsions laser (50 % des molécules présentes) mais un cycle utile (durée d impulsion laser par rapport au délai séparant deux impulsions) limité par le temps de vol des ions à environ 10 5 à 10 4 s. Le rendement global peut être meilleur avec des jets pulsés qui ne laissent diffuser le gaz dans la source que pendant un temps court et permettent donc d avoir un meilleur cycle utile Ionisation par désorption d'ions Les techniques de désorption d ions ont été développées pour analyser des composés à très faible tension de vapeur ou des composés thermolabiles. La désorption a toujours lieu à partir d une surface ou d une matrice solide ou liquide bombardée à l aide de projectiles énergétiques chargés ou neutres. Nous allons passer rapidement en revue ces diverses techniques Émission ionique secondaire (SIMS) Cette technique d ionisation est largement utilisée en analyse des solides (cartographie des alliages, localisation des impuretés). Elle fournit également des renseignements précieux dans les études de molécules biologiques pour lesquelles on utilise de faibles courants d ions primaires. Les molécules bioorganiques sont généralement insérées dans des matrices ( ). La production d ions secondaires par bombardement d une surface avec des ions de quelques kev est l une des techniques les plus importantes pour l analyse des surfaces. Les ions de quelques kev qui frappent la surface d un solide éjectent des particules chargées (ions, électrons), neutres ou des photons. Les ions secondaires sont Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

8 SPECTRMÉTRIE DE MASSE émis avec une faible distribution d énergie cinétique (une dizaine d ev) à partir d une surface métallique [53]. À partir d un sel cristallin, on obtient toute une série d agrégats. La désorption d ions de molécules organiques ou biologiques à partir d un produit pur ou dans une matrice par émission secondaire produit des ions pseudomoléculaires et parfois de nombreux ions fragments. Un exemple de source est donné figure 6. Les ions primaires sont produits dans une source à décharge (duoplasmatron). n utilise généralement des ions Ar,, des ions césium Cs 2 qui présentent de nombreux avantages (pénétration plus faible, meilleur rendement d ions secondaires, dissociation plus faible des ions polyatomiques). Les sources d ions primaires sont utilisées soit en mode statique à faible courant d ions primaires par unité de surface (< A/cm 2 ) pour l analyse des molécules en surface, soit en mode dynamique avec des courants d ions primaires par unité de surface importants (> 10 6 A/cm 2 ) pour l imagerie et pour l étude des profils en profondeur par creusement de l échantillon. Cible Lentille électrostatique Faisceau d'ions secondaires Analyseur Figure 6 Principe d une source d ions SIMS Source d'ions primaires (duoplasmatron ou à métal liquide) Faisceau d'ions primaires Bombardement par des atomes rapides (FAB) La source FAB est particulièrement bien adaptée à l étude des échantillons organiques (sels organiques, polymères, composés organométalliques par exemple) et surtout biologiques. Des composés de quelques u ont pu être analysés par cette méthode qui, de plus, est extrêmement sensible (2 à 50 nmol). La source FAB est une émanation directe de la source SIMS. Des atomes neutres d énergie cinétique de l ordre de quelques kev éjectent des ions positifs ou négatifs de la surface qu ils bombardent. Cette technique présente un certain nombre d avantages par rapport au bombardement ionique (en particulier celui de désorber des ions moléculaires de masse élevée sans fragmentation) et a élargi le domaine d application du SIMS au domaine de la chimie bioorganique. Les échantillons sont parfois insérés dans des matrices solides mais, le plus souvent, ils sont mélangés à des matrices liquides comme le glycérol. Lorsque la désorption d ions se fait par bombardement par des atomes neutres, on parle de FAB. Cette désorption, à partir de matrice liquide, se fait également par des ions et l on parle alors de LSIMS (Liquid SIMS). Dans ces matrices liquides, le produit à analyser est continuellement régénéré en surface et l on peut utiliser l échantillon jusqu à épuisement du glycérol. n observe très souvent des ions du type (M H) ou (M H). Les ions sont produits à partir de surfaces à température ambiante. La source d ions FAB est semblable à la source SIMS avec en plus une région pour la neutralisation des ions primaires et création des atomes neutres rapides. Les atomes neutres énergétiques comme Ar sont produits par neutralisation des ions Ar soit par échange de charge résonnante avec Ar (figure 7), soit par une grille métallique. Les ions restants sont éliminés à l aide d un champ électrique. Les avantages de la source FAB sont en particulier l absence d accumulation de charges sur les échantillons isolants et la possibilité d ajuster les potentiels d extraction des ions secondaires sans avoir à tenir compte du faisceau primaire. Ar Ions résiduels Faisceau de neutres (Ar 0, Cs 0 ) (5 à 10 kv) Figure 7 Principe d une source FAB Ions primaires (Ar, Cs ) ( 5 à 10 kv)(sims) Désorption plasma (PDMS) Cette technique de formation d ions est particulièrement bien adaptée à l analyse de molécules organiques ou biologiques de masse moléculaire très élevée (jusqu à quelques dizaines de ku) possédant des groupements polaires (polypeptides, polysaccharides, polymères, etc.). Les ions formés correspondent souvent aux molécules protonées (M H) ou cationisées en présence de sels alcalins (M Na) ainsi que des ions fragments de faible masse, des dimères protonés et des ions doublement chargés. n observe également la formation d ions négatifs avec un excellent rendement dans certains cas. La méthode est extrêmement sensible et permet d analyser des échantillons de l ordre du ng. La désorption d ions par bombardement d un solide avec des particules de fission d un élément radioactif a été mise au point en Cette méthode utilise essentiellement le 252 Cf qui, par désintégration, produit, entre autres, la paire d ions de fission 142 Ba 18 et 106 Tc 22 avec des énergies respectives de 79 MeV et 104 MeV. n utilise des sources de 252 Cf de 370 kbq pour avoir un rendement en produits de fission élevé. Un film de faible épaisseur du produit à analyser, généralement incorporé dans une matrice, est déposé sur une feuille mince de Ni (10 3 µm), placée dans la source d ions du spectromètre de masse au contact de la source de californium. Les produits de fission désorbent sur la face opposée de la cible des ions du produit à analyser qui sont ensuite accélérés puis analysés dans un spectromètre de masse à temps de vol (figure 8). Faisceau laser I Substance à analyser (pure ou en matrice) Source de californium II Gaz de neutralisation (He) Figure 8 Principe d une source à désorption laser I ou plasma II SM SM Ions secondaires Substrat liquide (solution de glycérol substance à analyser) Émission secondaire (ions, électrons, neutres) Support échantillon Ions primaires (de fission)(mev) PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

9 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Désorption laser (LDMS, MALDI ou LMMS) La méthode permet d analyser aussi bien des solides inorganiques ou minéraux que des molécules organiques ou biologiques. Ces dernières sont généralement déposées dans des matrices pour augmenter l efficacité d ionisation et diminuer la fragmentation. Des densités de puissance relativement faibles (< 1GW/cm 2 ) sont nécessaires, en particulier dans le cas de matrices absorbantes, pour effectuer une analyse. Les produits analysés sont très variés : métaux, alliages, polymères, échantillons inorganiques et organiques. Des ions de protéines de masse supérieure à 300 ku ont été observés à l aide de cette technique avec des quantités d échantillon de l ordre de la picomole. L utilisation d une matrice est indispensable dans ce dernier cas. n observe essentiellement des ions protonés (M H) et (M H) et des di et trimères. Un faisceau laser, focalisé sur une surface, permet de désorber des molécules neutres ainsi que des ions. Les lasers utilisés en désorption d ions sont toujours pulsés soit dans l infrarouge (C 2 à 10 µm, Nd-Yag à 1,06 µm), soit dans le visible (Nd-Yag doublé, lasers à colorants) ou plus fréquemment dans l UV (Nd-Yag triplé ou quadruplé, exciplexes XeCl, colorants doublés, laser à azote). Les rendements d ionisation ainsi que la fragmentation des molécules varient en fonction de la longueur d onde et de la fluence laser. Plus la fluence est élevée, plus la fragmentation est importante. L échantillon solide ou le produit à analyser mélangé à une matrice (MALDI) sont déposés sur une plaque mince et placés en face d une grille ou d une fente d extraction des ions. Le faisceau laser est focalisé à travers une fenêtre soit, normalement, sur la face arrière de l échantillon, soit, plus fréquemment, sous un certain angle sur la face avant de celui-ci. Dans ce dernier cas, les ions sont éjectés de la surface avec une faible distribution en énergie. Ils sont accélérés par le champ d extraction et pénètrent dans le spectromètre de masse (généralement à temps de vol) Désorption et ionisation de champ Elle a été utilisée dans des buts analytiques et pour l étude de la cinétique de dissociation des ions aux temps très courts (de l ordre de la ns). Une molécule placée dans un champ d environ 10 9 V/cm s ionise spontanément. De tels champs peuvent être obtenus au voisinage d une pointe très fine, le champ étant proportionnel à V/r (où V est le potentiel appliqué et r le rayon de courbure de la pointe). De plus, l électron au voisinage de la pointe est transféré à la bande de conduction du métal et l énergie d ionisation est abaissée de la fonction de travail W correspondante du métal. Ce processus d ionisation a été utilisé pour former des ions à partir d un gaz ou d un solide déposé sur la pointe. Une pointe, ou une arête (lame de rasoir), portée à un potentiel de quelques kv, est placée en face d une optique d extraction des ions. Les ions émis sont extraits et accélérés dans l analyseur. Cette technique est relativement «douce» et permet d obtenir des ions parents de molécules thermolabiles. Toutefois, elle est relativement délicate à mettre en œuvre et elle est pratiquement abandonnée à ce jour Ionisation par nébulisation Thermospray (TS) Un solvant polaire contenant le soluté à analyser est évaporé à la sortie d un capillaire chauffé directement sous vide dans une enceinte qui forme la source du spectromètre de masse. Lorsqu un sel volatil comme l acétate d ammonium est présent dans la phase liquide, les ions de soluté se forment directement dans le brouillard à la sortie du capillaire. Sinon, une source externe d ionisation doit être ajoutée dans la zone de nébulisation (source à filament ou électrode à décharge). Les ions formés sont ensuite extraits à travers un trou et accélérés dans l analyseur [52] Électrospray (ES) Cette technique récente permet de produire des ions de type (M n H) n ou (M n H) n à partir de composés possédant plusieurs sites basiques ou acides. Le proton peut être remplacé, totalement ou partiellement, par des métaux alcalins dans le cas de solutions alcalines. Le nombre de charges n peut aller jusqu à 100 pour de très grosses molécules (m > u), soit environ une charge pour u. Ce procédé permet donc de détecter des ions de haute masse (M u) avec un analyseur de gamme de masses limitée. Cette technique, en plein développement, est particulièrement bien adaptée à l étude de molécules bioorganiques et chimiques polyfonctionnelles de masse moléculaire très élevée [54]. Un solvant polaire contenant le soluté à analyser est évaporé à la sortie d un capillaire dans un gaz inerte à la pression atmosphérique. Sous l effet d un champ électrique de quelques milliers de volts, il se forme un brouillard de particules fortement chargées. Le solvant est évaporé au cours des collisions avec le gaz inerte et il reste en fin de parcours des ions de soluté multiplement chargés. Une partie de ces ions est extraite à travers un capillaire en verre ou un système d écorceurs et de diaphragmes et introduite par l intermédiaire d un système de lentilles éléctrostatiques dans l analyseur du spectromètre de masse (figure 9). Solution (H 2 alcool soluté) N 2 (pression atmosphérique) V (3 à 5 kv) Figure 9 Principe de l électrospray Différents types de sources ont été développés, tous basés sur le même principe que celui indiqué précédemment. Un courant de liquide ou de gaz est ajouté le long du capillaire d introduction pour faciliter la formation du brouillard. D autre part, un courant de gaz inerte devant le capillaire d extraction facilite l élimination des molécules de solvants. Comme dans le cas de l APCI, des pompages efficaces sont nécessaires pour obtenir un vide suffisant dans les zones d accélération et d analyse des ions. Une description plus détaillée de l application de cette technique à l étude des molécules biologiques est présentée dans la référence [54] Thermo-ionisation N 2 Ce type d ionisation est utilisé pour l analyse isotopique précise de tous les éléments à faible tension de vapeur. Une purification préalable de l échantillon est indispensable pour éviter les éléments gênants (alcalins) et ceux donnant des interférences isobariques (séparation et purification sur colonne). La sensibilité de la méthode est bonne et la précision sur le rapport isotopique excellente. Les applications se situent essentiellement dans le domaine de la géochronologie et de l industrie nucléaire. Cette technique est certainement la plus ancienne, la plus utilisée et la plus précise pour l analyse isotopique des composés inorgani- Microgouttelettes chargées Capillaire métallique Capillaire en silice (chauffé) Faisceau d'ions Écorceur Pompages différentiels SM Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

10 SPECTRMÉTRIE DE MASSE ques. L évaporation ou la réévaporation d un élément M à partir d une surface métallique chauffée conduit à un mélange de neutres et d ions en phase vapeur. Le rapport ions/neutres (n /n 0 ) dans la vapeur est donné par la relation de Saha-Langmuir : avec W fonction de travail de la surface métallique, EI n n 0 ( W EI) = exp kt énergie d ionisation, k constante de Boltzmann (1, J K 1 ), T température (en K) du métal. La fonction de travail des métaux ne dépasse guère 5 ev et (W EI) est généralement négatif (sauf pour les alcalins et les terres rares). Il faut donc chauffer pour augmenter la proportion d ions. Les ions produits ont une faible distribution en énergie. Le rapport (n /n 0 ) est fréquemment compris entre 10 2 et La source d ions est constituée d un filament sur lequel on dépose la substance à analyser. L ensemble est placé en face d une fente d extraction et d un système de lentilles qui permettent de focaliser le faisceau d ions émis dans l analyseur. Le filament est chauffé à une température qui peut varier entre quelques centaines de degrés celsius et o C environ selon le produit à analyser. Les métaux utilisés comme filament doivent être de très haute pureté, réfractaires et avoir une fonction de travail élevée. Le rhénium est un bon matériau. Les courants d ions obtenus sont très stables. Lorsque les produits à analyser sont trop volatils, ils s évaporent avant que le filament n atteigne la température de travail. n utilise alors une source à trois filaments (deux filaments latéraux, un central : figure 10). Le produit est placé sur l un des filaments latéraux qui peuvent être chauffés indépendamment du filament central. différence de sensibilité entre éléments, effet de matrice, etc.) comme l ICPMS ( ). Lorsque l on provoque des claquages HF (haute fréquence, 0,5 à 1 MHz) et haute tension (10 à 70 kv) entre deux électrodes, on observe la formation d un grand nombre d ions mono et multichargés à partir des constituants élémentaires des électrodes. L une des électrodes est constituée du matériau à analyser, mélangé à un conducteur (graphite) s il est isolant. Les ions émis sont en principe représentatifs de la composition des éléments contenus dans le volume vaporisé par l étincelle. Un exemple de source est donné sur la figure 11. Le cylindre représenté sur la figure forme l une des électrodes. Elle est réalisée soit par usinage, soit par compression à partir d une poudre mélangée éventuellement avec un liant conducteur (graphite, Ag, Au). La deuxième électrode est percée d un trou par lequel sont extraits les ions qui sont accélérés et pénètrent dans l analyseur. Cette source produit des ions avec une grande dispersion en énergie et la production d ions est totalement erratique d une décharge à la suivante. C est pourquoi on utilise une géométrie d analyseur spéciale (Mattauch-Herzog) et des plaques photographiques comme détecteur. 5 à 8 kv HF Électrode primaire (échantillon) Électrode secondaire Électrodes d'accélération et de focalisation Électrodes d'extraction, de focalisation et d'accélération Support (disque en verre de 15 mm) Ions Fente source Figure 11 Principe d une source à étincelle Filament central (3 à 5 kv) ( 1200 C) Filaments latéraux sur l'un desquels est déposé le produit à ioniser (température variable) a principe Figure 10 Principe de la thermo-ionisation La thermo-ionisation est généralement utilisée pour la production d ions positifs. Des déterminations de rapport isotopique ont été faites sur des ions négatifs de certains éléments, en particulier les métalloïdes, à l aide de cette technique Sources à décharge électrique Filaments latéraux (2 pour des raisons de symétrie) Filament central b support de filaments Ionisation par étincelles (SSMS) Cette méthode d ionisation est utilisée pour l analyse élémentaire de produits inorganiques. Son utilisation tend actuellement à diminuer et est progressivement remplacée par d autres techniques qui présentent moins d inconvénients (instabilités du courant d ions, Source à plasma à décharge continue (GDMS) Cette technique est utilisée pour l analyse élémentaire de solides inorganiques conducteurs ou semiconducteurs. Dans une décharge luminescente, réalisée dans un gaz sous basse pression, les atomes de la cathode sont vaporisés par bombardement ionique puis ionisés dans la partie luminescente par bombardement électronique et par ionisation de Penning au cours des collisions avec les atomes métastables excités. Les ions ainsi produits sont extraits à travers un trou dans la cathode et accélérés dans le spectromètre de masse (figure 12). Le produit à analyser peut constituer directement la cathode ou être incorporé dans celle-ci. Bien qu étant à la base de la découverte des ions au siècle dernier, cette technique d ionisation n a été utilisée en spectrométrie de masse que très récemment. La GDMS permet le même type d analyse que la SSMS et pourrait remplacer cette dernière car elle présente certains avantages, en particulier de stabilité du courant d ions, de moindre dispersion d énergie, de sensibilité relative élevée. Toutefois, le problème des interférences entre ions de même masse et de nature différente subsiste Source à plasma par couplage inductif (ICPMS) Cette source est particulièrement bien adaptée à l analyse élémentaire et à la détection de traces. Les molécules sont totalement dissociées dans la décharge et les ions produits sont généralement monoatomiques (cf. [55] pour les performances et les applications). Les plasmas par couplage inductif ont été très largement utilisés en spectroscopie d émission. Dans ce type de plasma où les tempé- PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

11 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Gaz Porte-échantillon (isolant) première enceinte et la pression dans cette deuxième chambre est ramenée à environ 10 2 Pa. Les ions sont ensuite extraits par un trou et pénètrent dans l analyseur. Anode (8 à 9 kv) Cathode (échantillon) ( V cathode-anode 500 V) Cône de prélèvement Fente de sortie (masse) ( V fente de sortie-anode = 0 à 100 V) Ions Isolateur Figure 12 Principe d une source à décharge continue Plaques de focalisation Fente source Ar échantillon nébulisé Ar Ar Bobine HF Pompage Ions Écorceur ratures peuvent atteindre plus de o C, les métaux sont complètement ionisés. Un courant gazeux (Ar) isole le plasma des parois pour protéger celles-ci des hautes températures de manière à éviter la contamination du plasma. La distribution énergétique des ions est faible (de l ordre de 1 ev), puisque ceux-ci sont produits thermiquement dans un gaz à pression atmosphérique. En pratique, une solution de l échantillon est nébulisée dans un flux d argon dans la torche à plasma. La partie centrale est prélevée à l aide d un cône (figure 13) dans une enceinte intermédiaire pompée à 10 Pa. Un deuxième écorceur prélève une partie du flux de la Figure 13 Principe d une source à plasma par couplage inductif Comparaison des méthodes d'ionisation Le tableau 1 présente une comparaison des performances et des domaines d application des diverses méthodes d ionisation. Technique d ionisation Gaz Solide Tableau 1 Comparaison des méthodes d ionisation Ionisation douce Fragmentation Analyse élémentair e Analyse structurale Pic moléculaire Analyse isotopique Bombardement X X X X X (2) X électronique Ionisation chimique X X X X Ionisation à pression X X X atmosphérique Photo-ionisation laser X résonant non résonant X X X X X Techniques de désorption : SIMS statique X X X X X SIMS dynamique X X X (surface) X FAB (1) X X X X (3) PDMS X X X (3) LDMS sans matrice X X X LDMS avec matrice X X X (3) Thermospray X X X Électrospray X X X X X (3) Thermo-ionisation X X GDMS X X X X ICPMS X X X X Étincelle X X (1) En particulier le FAB liquide ou le SIMS liquide (2) Pour des ions peu fragiles (3) Masses moléculaires élevées Analyse de traces Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

12 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Remarque : le rendement d'ionisation pour un gaz dépend, d une part, des sections efficaces de formation des ions, d autre part, de l intensité des particules ionisantes (électrons ou photons). Pour l ionisation chimique, le rendement peut être voisin de 1. Pour les méthodes de désorption d ions par particules lourdes, un grand nombre de particules sont éjectées (10 2 à 10 3 ) à chaque impact, mais seul un petit nombre de celles-ci sont ionisées, généralement moins du pour-cent. Les rendements par désorption laser sont extrêmement variables selon l intensité laser, l utilisation ou non d une matrice et l accord de fréquence sur une résonance. Pour les techniques de décharge électrique, les rendements sont souvent voisins de 1, alors qu en thermoionisation les rendements sont voisins ou inférieurs au pour-cent. Ajoutons enfin que les limites de détection et de sensibilité des spectromètres de masse vont dépendre non seulement de la technique d ionisation, mais également de l ensemble de l instrument utilisé : système d introduction, extraction des ions, analyseur, détection. Les limites de détection sont données par les constructeurs pour un système global d analyse : GC/MS, LC/MS, ICPMS, etc, en quantité de produit nécessaire pour être n fois au dessus du bruit de fond. 1.4 Analyseurs Les principaux analyseurs utilisés actuellement en spectrométrie de masse comprennent les secteurs magnétiques, les filtres de masse quadripolaires et les pièges à ions, les appareils à temps de vol et les spectromètres à résonance cyclotronique ionique. Les principales qualités d un analyseur sont le pouvoir de résolution, la gamme de masses détectable, la précision sur la mesure d une masse, la sensibilité et la vitesse d acquisition. Ces diverses performances sont différentes selon le type d analyseur. D autre part, certaines associations d analyseurs (spectrométrie de masse tandem) permettent d étendre le champ d investigation analytique et structurale des appareils en introduisant la possibilité de dissociations induites par collisions Analyseurs magnétiques à simple focalisation Un ion de masse m et de vitesse v décrit dans un champ magnétique homogène B perpendiculaire à v une trajectoire circulaire de rayon r = mv/qb où q représente la charge de l ion (q = ze, z étant le nombre de charges élémentaires e de l ion). Si l ion a acquis sa vitesse sous l effet d un potentiel accélérateur V à la sortie de la source d ions, nous pouvons exprimer v en fonction de V : m v 2 /2 = qv (2) et le rayon de courbure r de la trajectoire de l ion en fonction de V est donné par : r 2 = 2V m/qb 2 soit m/z = 4, B 2 r 2 /V avec e = C les grandeurs étant exprimées dans le système d unités MKS (m en kg, B en T, r en m, V en V), ou encore : m/z = 4, B 2 r 2 /V si la masse moléculaire est exprimée en u et r en cm Propriétés optiques des secteurs magnétiques À la sortie de la source d ions de type Nier ( 1.3), le faisceau d ions présente les caractéristiques suivantes : énergie cinétique qv ; dispersion en énergie V/V ; divergence angulaire 2α (α : demi-angle d'ouverture). Les secteurs magnétiques présentent tous des propriétés de focalisation angulaire au premier ordre lorsque la divergence angulaire est petite. Les principaux secteurs utilisés présentent des faces d entrée et de sortie normales à la trajectoire principale des ions dans le cas des spectromètres à simple focalisation. Différents types de secteurs magnétiques ont été utilisés : les secteurs à 180 o où les fentes d'entrée et de sortie sont placées en limite du champ magnétique (figure 14a) ; cette configuration n'est toutefois que peu ou pas utilisée en analyse ; les secteurs à 60 o : mis au point par Nier à la fin des années 30, c'est l'une des configurations les plus utilisées (figure 14b) ; la trajectoire des ions peut être décrite par les lois de l'optique classique. Dans le cas d'un montage symétrique, le point objet (source), le point image et le centre de courbure de la trajectoire des ions (sommet du triangle de l'aimant corrigé du champ de fuite) sont alignés ; les secteurs à 90 o : cette configuration est également très utilisée en montage symétrique et possède l'avantage sur la précédente de présenter pour les ions une distance objet-image moins longue pour le même rayon de courbure donc une probabilité de collision moins grande durant le parcours de l'ion. Un exemple est donné figure 15 dans le cas d'un analyseur à double focalisation ( ). B Point source a B m 1 et m 2 r D m 1 m 2 D Point collecteur Point source Figure 14 Secteurs magnétiques à 180 o (a) et 60 o (b) Dispersion en masse La dispersion en masse est définie comme la distance D, comptée normalement à l axe optique, séparant deux faisceaux d ions de masse m et m m. Pour un montage symétrique, on a : où r est le rayon de la trajectoire dans l aimant. r Pouvoir de résolution Le pouvoir de résolution est défini par la relation : où m représente le plus petit écart de masse qui permette encore de séparer, sur un enregistrement, les pics de masses m et m m. B b m 1 induction magnétique (créée par un électroaimant entre des pièces polaires en fer doux) masses des ions rayon de la trajectoire distance entre les faisceaux d'ions de masse m 1 et m 2 au collecteur D = r m m m PR = m α m 2 = m 1 dm D Point collecteur PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

13 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Secteur électrostatique Diaphragme ' e m Secteur magnétique Avec des aimants de 30 cm de rayon, des pouvoirs de résolution de à u peuvent être atteints. Le domaine de masse est limité vers les masses élevées à environ u, des géométries spéciales sont utilisées pour étendre le domaine vers les hautes masses ( 1.4.4). e r e φe Fente source r m φm Fente collecteur Source Collecteur ici φe = 90, e = ' e distance de l'objet à la face d'entrée du secteur correspondant distance de la face de sortie du secteur à l'image r e, r m rayon de courbure de la trajectoire principale dans chaque secteur φe, φm angle dont tourne la trajectoire principale dans chaque secteur e, m ' e, m Figure 15 ptique du spectromètre à double focalisation Nier-Johnson Théoriquement le pouvoir de résolution est donné par la relation : m r PR m -- r = = = d S e S s r( V V) rα 2 où d est la largeur à la base du pic de masse m. Cette largeur à la base est déterminée par les largeurs des fentes d entrée et de sortie S e et S s et par les aberrations du second ordre r V/V et rα 2. n détermine généralement le pouvoir de résolution à partir d un enregistrement de deux pics de masse voisine à l aide de la largeur des pics (à x % de la hauteur) et de la distance L entre les deux pics (figure 16). Si dm est la différence de masse entre les deux pics, on a : m/dm = /L et le pouvoir de résolution à x % de la hauteur du pic est donné par : 1 2 m m L PR = = m dm Faisceaux d'ions Balayage d d L d d D Fente collecteur Figure 16 Détermination expérimentale du pouvoir de résolution m 1 = m D L ' m m 2 = m m (3) Remarques Les configurations décrites précédemment sont toujours utilisées dans les spectromètres à simple focalisation. Toutefois ces géométries ont été modifiées dans les spectromètres à double focalisation afin d accroître la transmission des masses élevées. Des spectromètres à double secteur magnétique consécutif ont été réalisés afin d augmenter la limite de détection d un faisceau d ions de très faible intensité au voisinage d un faisceau intense, la transmission des deux analyseurs étant réglée sur la même masse. n diminue ainsi notablement le bruit de fond dû au faisceau d ions intense. Des spectromètres à aimant permanent sont utilisés pour la détection de gaz de faible masse moléculaire (détecteur de fuite à l hélium, analyse isotopique des premiers éléments). Un balayage éventuel en masse peut être obtenu par variation de la tension d accélération des ions Analyseurs électrostatiques De tels analyseurs sont utilisés pour étudier la dispersion en énergie de faisceaux d ions ou d électrons (spectroscopie de photoélectrons : PES), mais ils sont également utilisés, grâce à leur propriété de focalisation, en couplage avec des secteurs magnétiques, pour réaliser des spectromètres de masse à double focalisation ( 1.4.3). Un ion pénétrant normalement à la face d entrée dans un champ électrostatique radial, créé dans un condensateur cylindrique (secteur électrostatique), va décrire une trajectoire circulaire de rayon r lorsque : mv qe 2 2qV = = r r d où 2 V r = (4) E avec V potentiel d accélération de l ion à sa sortie de la source, E champ électrostatique radial du secteur électrostatique. Cette dernière relation est indépendante de la masse de la particule chargée. Ainsi un secteur électrostatique muni de deux fentes fines à l entrée et à la sortie permet de filtrer les ions en énergie cinétique (figure 15). Les ions ayant des énergies différentes q(v V) et q(v V) vont être dispersés et piégés à la sortie. En revanche, un secteur électrostatique possède également un effet focalisant sur un faisceau d ions monoénergétiques de faible divergence angulaire Analyseurs à double focalisation Le pouvoir de résolution d un secteur magnétique est proportionnel au rayon de la trajectoire des ions et inversement proportionnel à la largeur des fentes, à l angle d ouverture α du faisceau d ions et à leur dispersion en énergie V/V (plus ou moins grande selon la méthode de formation des ions). Afin d améliorer le pouvoir de résolution des spectromètres de masse, il faut réduire la largeur des fentes et corriger les aberrations en angle et en énergie. Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

14 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Comme nous venons de le voir, les secteurs magnétique et électrostatique permettent une focalisation en direction au premier ordre d ions homocinétiques. Un secteur électrostatique est en outre un élément dispersif en énergie tandis qu un secteur magnétique est dispersif en vitesse (pour des ions de même masse). En combinant convenablement un secteur magnétique et un secteur électrostatique, il est possible de focaliser un faisceau d ions à la fois en direction et en énergie. Le pouvoir dispersif du premier secteur est contrebalancé par le second secteur. De tels instruments sont dits à double focalisation. En première approximation, le pouvoir de résolution d un spectromètre de masse à double focalisation est donné par : m 1 PR r m( 1 G m) = = (5) m 2 ( GS s S c ) avec G m et G e grandissements des secteurs magnétique et électrostatique, G = G m G e grandissement résultant, r m rayon du secteur magnétique, S s et S c largeurs des fentes source et collecteur. Dans la pratique, plusieurs montages sont utilisés Montage Nier-Johnson Le montage est représenté sur la figure 15, il consiste en un secteur électrostatique de 90 o suivi d un secteur magnétique de 60 o ou 90 o. Ce montage est plus complexe dans les appareils modernes ( ). La condition de focalisation en vitesse s écrit pour ce cas : r r m e = De plus, dans l expression théorique de PR (3), l annulation du terme en α 2 est obtenue pour G m = 0,7 ce qui conduit à une focalisation au deuxième ordre. Le pouvoir de résolution est donné par la formule (5). Le montage est symétrique pour le secteur électrostatique ( e = e ) et dissymétrique pour le secteur magnétique ( m > m ). Ce type d appareil permet d atteindre un pouvoir de résolution supérieur à Montage inversé Un montage dans lequel le secteur magnétique est placé avant le secteur électrostatique est également utilisé (figure 18c et d). Ce montage, qui présente des qualités de résolution analogues à celles d un spectromètre à double focalisation de géométrie directe (montage Nier-Johnson), a l avantage de permettre des études de dissociations d ions spontanées ou induites par collision ( 1.4.8) entre les deux secteurs Montage Mattauch-Herzog Ce spectromètre a été essentiellement développé pour exploiter les ions issus des sources à étincelles HF, en raison de leur grande dispersion en énergie. Le montage représenté sur la figure 17 est tel que l on obtient en sortie du secteur électrostatique un faisceau r parallèle qui est focalisé par un secteur magnétique à 90 o e = e 2 sur plan coïncidant avec les limites du champ magnétique (figure 17). Ce plan peut être matérialisé par une plaque photographique ou par un ensemble de galettes microcanaux sur lesquels les ions peuvent être collectés. n peut démontrer que le pouvoir de résolution vaut : G m Source Fente d'entrée φe = 31 50' r e / 2 Ions La source délivre des ions qui sont déviés par le secteur électrostatique (cylindrique d'angle φ e = π /(4 2) ou sphérique d'angle π/4), puis par le secteur magnétique, et qui frappent la plaque photographique en des points dépendant de la valeur m/q des ions de masse m 1 et m 2. Figure 17 ptique à double focalisation Mattauch-Herzog en détection photographique : r e en détection électrique : Secteur électrostatique Fente m PR = = m 2 S s φm = 90 Plaque photographique m 1 m 2 Secteur magnétique avec G = G e. G m = r m /r e. La fente collecteur est placée à l extrémité du rayon r m = 0,594 r e (cette disposition permet d annuler le terme en α 2 ). Une fente de largeur réglable est placée entre les deux secteurs afin de limiter la dispersion en énergie Performances des analyseurs magnétiques à simple ou à double focalisation Afin d augmenter la luminosité, la résolution et surtout la transmission des masses élevées des secteurs magnétiques, différentes améliorations ont été apportées dans leur conception et dans celle de l optique des faisceaux d ions. Depuis l apparition des méthodes d ionisation douces, les constructeurs se sont vus obligés d accroître les possibilités de transmission des masses élevées par les spectromètres magnétiques à double focalisation, tout en maintenant un pouvoir de résolution élevé et une bonne sensibilité. Le rapport masse sur charge d un ion transmis par un spectromètre de masse magnétique répond à l équation : Pour élargir la gamme de masse de l appareil, on peut donc soit augmenter B, soit accroître r, soit diminuer V. L élément qui, actuellement, limite la bande passante en masse dans un spectromètre magnétique est l aimant. La transmission des aimants vers les hautes masses est rapidement limitée par la saturation des métaux qui constituent les pièces polaires (le fer doux sature à environ 2 T, l alliage fer/cobalt à environ 2,4 T). Pour favoriser la transmission de masses élevées, il est possible de diminuer la tension d accélération V des ions mais on diminue corrélativement la résolution et (ou) la sensibilité, même dans un r e r m m PR = = m 2( GS s S c ) m ---- z = B 2 r 2 e V PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

15 SPECTRMÉTRIE DE MASSE spectromètre à double focalisation, par suite de l augmentation du terme en V/V et en α. n peut également augmenter le rayon de courbure de l aimant r, mais, dans ce cas, on accroît considérablement la masse de l aimant et les dimensions du spectromètre pour des géométries à incidence normale. Une solution, adoptée par la plupart des constructeurs, est d utiliser des aimants avec des faces d entrées à incidence oblique (figure 18). n diminue ainsi les distances de focalisation et on augmente le rayon de courbure, donc on augmente la masse transmise. Diverses géométries ont été adoptées ; les aberrations résultantes (défocalisation en y, direction du champ magnétique) sont corrigées par des lentilles quadripolaires ou hexapolaires. n peut également utiliser des champs magnétiques inhomogènes qui permettent de rapprocher les points focaux des faces polaires de l aimant. De la même manière apparaît une défocalisation en y qui peut être compensée. y Source x y x z Collecteur Source r z Collecteur a Source z Collecteur champ inhomogène ; les points focaux sont rapprochés des faces d'entrée et de sortie de l'aimant, donc le rayon apparent est plus grand. Défocalisation en y qui peut être rattrapée par des aimants segmentés (voir c ) Secteur électrostatique Lentille hexapolaire Lentille y Secteur magnétique inhomogène segmenté b champ homogène mais faces d'entrée et de sortie obliques par rapport à l'angle d'incidence du faisceau. Là encore, les points focaux sont rapprochés donc le rayon apparent r plus grand Lentille quadripolaire Secteur électrostatique Secteur magnétique inhomogène 90 Fente collecteur 38,1 cm 18,9 cm 90 Fente source Kratos MSSRF 60 68,6 cm Lentille hexapolaire Fente collecteur 40 cm 60 Fente source Finnigan MAT 8500 c schéma de spectromètres à double focalisation à champ magnétique inhomogène segmenté Secteur magnétique Secteur électrostatique Fente Secteur électrostatique Lentille quadripolaire Secteur magnétique Source Fente 66 cm 35 VG analytical ZAB-E 38,1 cm 81,5 Fente collecteur 85 38,1 cm 72 cm Lentille quadripolaire Source JEL HX Fente collecteur d schéma de spectromètres à double focalisation à angle d'incidence oblique du faisceau dans le champ magnétique Figure 18 Différentes géométries d analyseurs magnétiques réalisées pour l analyse de masses élevées Des solutions ont également été recherchées pour accroître la sensibilité, en particulier en augmentant l angle d ouverture du faisceau d ions. Là encore des lentilles sont nécessaires pour corriger les aberrations et accroître la résolution. Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

16 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Spectromètres de masse à résonance cyclotronique ionique et à transformée de Fourier (FTICR et FTMS) La commercialisation des spectromètres de masse à transformée de Fourier date des années Trois constructeurs se partagent actuellement le marché (Brüker-Spectrospin, Extrel et lonspec) et proposent aussi aux utilisateurs la plupart des options offertes par les spectromètres de masse plus traditionnels Principe de fonctionnement Dans ce type d appareil, la détection des ions est basée sur la mesure de leur fréquence de rotation dans un champ magnétique intense. Le principe peut en être décrit dans le cas d une cellule d analyse cubique constituée de six plaques isolées les unes des autres (figure 19). Chaque paire de plaques parallèles joue un rôle distinct : piégeage, excitation et détection. Grille d'accélération des électrons Figure 19 Cellule d ionisation et d analyse Piégeage La cellule est placée dans un champ magnétique dont le vecteur induction magnétique B est orienté selon l axe z (figure 19), perpendiculairement aux plaques de piégeage. Sous l effet du champ magnétique, un ion de charge ze et possédant un vecteur vitesse de 2 2 composantes v xy = ( v x v y ) 12 sera soumis à un mouvement circulaire «cyclotronique» dans le plan x y. Ce mouvement résulte de l action opposée de la force de Lorentz f B : et de la force centrifuge f c : Plaques détectrices B Plaques excitatrices f B = ze v xy B Collecteur d'électrons Dans cette expression, m et r représentent respectivement la masse moléculaire de l ion et le rayon de la trajectoire circulaire qu il décrit. L égalité f B = f c permet de déterminer la fréquence de rotation cyclotronique ν c : Tous les ions de même rapport m/z possèdent la même fréquence cyclotronique, et ceci indépendamment de leur vitesse initiale. Le domaine de fréquences exploré s étend du khz au MHz (à titre y z Plaques de piégeage Filament émetteur d'électrons connexions aux différents circuits générateurs et détecteurs (d'après document Extrel) f c = 2 mv xy r ν c = v xy 2π r = ze B 2π m x d exemple, pour un champ B de 4,7 T, la fréquence cyclotronique d un ion de masse u est égale à 72 khz). Si le champ B confine efficacement les ions dans les directions x et y, le piégeage dans la direction z est assuré par l application d un faible potentiel électrique ( 1 V par rapport à la masse) sur les plaques de piégeage. Une description complète du mouvement des ions dans la cellule fait intervenir la rotation cyclotronique, une oscillation le long de l axe z et une précession autour de l axe z. Excitation Après leur piégeage dans la cellule et à un instant déterminé, les ions se trouvent à des positions aléatoires de leurs trajectoires. Avant de procéder à leur détection, il est nécessaire de mettre en phase tous les ions de même rapport m/z par résonance cyclotronique. Cela consiste à appliquer, entre les plaques d excitation, une différence de potentiel alternative de fréquence précisément égale à la fréquence cyclotronique des ions considérés. Sous l effet de ce champ électrique alternatif, les ions sont accélérés et le rayon de leur trajectoire est accru. Durant cette phase d excitation, tous les ions de même m/z sont mis en phase sur des orbites de dimension inférieure à celle de la cellule. En pratique, on excite simultanément tous les ions d un domaine de masses déterminé en balayant très rapidement (durant quelques millisecondes) le domaine de fréquences correspondant. En dehors de la préparation à la détection, l accélération des ions par résonance cyclotronique peut avoir deux autres usages : en appliquant une excitation de forte amplitude ou de longue durée à une fréquence déterminée, les ions correspondants sont neutralisés sur les parois de la cellule ; on éjecte ainsi les ions indésirables ; ce procédé est utilisé pour sélectionner des ions de m/z déterminés ; l'excitation communique aux ions une énergie cinétique appréciable (jusqu'à plusieurs centaines d'ev) qui peut être mise à profit pour induire des dissociations par collision en présence d'un gaz inerte. n peut ainsi réaliser des expériences de spectrométrie de masse tandem (MS/MS) ( 1.4.8). Détection Le mouvement cohérent de chaque paquet d ions de même m/z induit un courant image détecté par les plaques de détection. Si la cellule ne contient que des ions de même m/z, le signal transitoire observé en fonction du temps f(t) est une sinusoïde amortie de fréquence ν c. Dans le cas général d un ensemble d ions de rapports m/z différents, le signal f(t) correspond à la superposition des courants induits de chaque m/z. La transformée de Fourier de ce signal temporel fournit le spectre des fréquences cyclotroniques correspondantes. Ce dernier est ensuite converti en spectre de masse. Séquence d'impulsions Une séquence d impulsions standard est schématisée sur la figure 20. I Ej A I Ej A R Ex D Q Figure 20 Séquence d impulsions dans un spectromètre FTICR Les ions sont soit formés in situ, soit admis si l ionisation s est déroulée dans une source externe à la cellule d analyse, durant R Ex D ionisation éjection accélération délai de réaction / collisions excitation détection quenching Q PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

17 SPECTRMÉTRIE DE MASSE quelques ms (I). Une durée d impulsion I de l ordre de la seconde conduit à l ionisation chimique de l échantillon. Cette impulsion est suivie des étapes d éjection et d accélération (Ej, A). Durant l intervalle de temps modulable R, les ions sélectionnés peuvent être mis en présence de molécules réactives (réactions ion-molécules) ou d un gaz inerte (dissociations induites par collisions). Après excitation Ex et détection D, la cellule est nettoyée par une inversion du potentiel de piégeage (impulsion de quenching Q) Instrumentation Pratiquement tous les spectromètres de masse à résonance cyclotronique ionique et transformée de Fourier utilisent des solénoïdes supraconducteurs délivrant des champs magnétiques de 3 à 8 T. La cellule, placée au cœur du solénoïde, est de géométrie cubique, orthorhombique ou cylindrique. L ionisation de l échantillon peut être réalisée directement dans la cellule par impact électronique, SIMS, FAB, PDMS ou désorption laser. L ionisation chimique est effectuée en augmentant le délai d ionisation I ou le temps de confinement R. Il est également possible de séparer spatialement la formation des ions de leur mise en œuvre dans la cellule d analyse. Deux constructeurs (Brüker, lonspec) proposent une source d ions située à l extérieur du solénoïde supraconducteur, le long de l axe z (figure 21a, b). Une autre approche consiste à utiliser deux cellules séparées par une plaque centrale percée d un orifice de 2 mm de diamètre (Extrel, figure 21c). Dans les deux cas, la cellule d analyse peut être maintenue efficacement à une pression suffisamment faible pour conserver un pouvoir de résolution élevé. où Cte est une constante d amortissement du signal inversement proportionnelle à la pression. En conséquence, un pouvoir de résolution important est obtenu avec un champ magnétique intense et avec une pression faible (en pratique 10 6 à 10 7 Pa). n constate également que le pouvoir de résolution diminue lorsque la masse augmente. La spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique offre néanmoins les meilleures performances actuelles en matière de pouvoir de résolution (citons par exemple un pouvoir de résolution de obtenu à la masse 40 u avec B = 7 T). La précision sur la mesure de masse est de l ordre du ppm. Elle est limitée par la résolution et le rapport signal/bruit mais aussi et surtout par la technique d étalonnage. La gamme de masse peut théoriquement atteindre u à 7 T, en pratique la détection d ions de m/z de plusieurs dizaines de milliers d unités de masse atomique, produits par désorption laser, a été rapportée dans la littérature. La dynamique de l instrument est typiquement de l ordre de 10 4, elle correspond en effet à la capacité de confinement maximal d environ 10 6 ions et à une limite de détection minimale d une centaine d ions Spectromètres de masse quadripolaires Principe et caractéristiques Le filtre de masse quadripolaire est constitué de quatre barres parallèles, idéalement de section hyperbolique, entre lesquelles on applique un potentiel continu U et un potentiel radiofréquence V cos ω t (figure 22 ). U V cos ωt x z Source Décélération injection Cellule Source Cellule U V cos ωt r 0 U V cos ωt x U V cos ωt y Focalisation a Solénoïde supraconducteur Quadripôle b U V (t ) = U V cos ωt a profil idéal des électrodes b assemblage des barres cylindriques Cellule haute pression Source Cellule basse pression Analyse Figure 22 Filtre de masse quadripolaire Le potentiel électrique Φ en un point du plan x, y est donné par : Figure 21 Différentes géométries de la cellule d analyse Performances c Le pouvoir de résolution d un spectromètre de masse à résonance cyclotronique ionique est lié à B et m/z selon : m zeb Cte = m 2m Φ = (U V cos ω t) (x 2 y 2 )/ où r 0 est la distance séparant les barres de l axe optique z. Les équations de Mathieu décrivent le mouvement d un ion de masse m et de charge ze pénétrant dans le filtre avec une vitesse v 0 dans la direction z : d 2 z/dξ 2 = 0 d 2 x/dξ 2 (a x 2q x cos ω t) x = 0 d 2 y/dξ 2 (a y 2q y cos ω t) y = 0 avec ξ = ω t/2. 2 a x = a y = 8zeU mr 0 ω 2 2 q x = q y = 4zeV mr 0 ω 2 r 0 2 Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

18 SPECTRMÉTRIE DE MASSE de sorte que : -- a = q U V Selon les valeurs de m, U et V, certains ions peuvent avoir une trajectoire oscillante leur permettant de passer entre les barres du filtre, les autres sont éjectés. Les conditions de stabilité des trajectoires, déduites des solutions des équation de Mathieu, sont imposées par les valeurs des paramètres a et q dans le plan x y. L ensemble de ces solutions est souvent représenté sous la forme d un «diagramme de stabilité» où a est porté en fonction de q. Pour une fréquence ω déterminée, m est directement proportionnel à U et à V. Par conséquent, en balayant simultanément ces deux tensions tout en maintenant leur rapport constant, les ions de différentes masses sont transmis à la condition que ce rapport U/V corresponde à un point situé dans le diagramme de stabilité. La figure 23 représente dans le plan UV les domaines de stabilité de plusieurs ions et la droite de travail A. U / m INSTABLE Droite de balayage A Largeur du pic m 1 m 2 m 3 STABLE m 4 V max tension radiofréquence maximale. n peut donc en principe augmenter la résolution en augmentant L et V ou en diminuant r 0 et V z. En pratique, V max est de l ordre d une dizaine de kv, L est égal à quelques dizaines de cm et le terme actuellement limitatif est l imprécision sur r 0. Le pouvoir de résolution maximal est à présent de à n notera que la résolution est proportionnelle à la masse en raison de la présence du terme V max, elle est aussi proportionnelle au carré du nombre de cycles que l ion subit durant sa traversée du quadripole et cela, en raison de la présence du terme ev z. En effet, les ions lourds possèdent, après accélération par V z, une vitesse moindre et décrivent un plus grand nombre de cycles durant leur traversée dans le filtre. Pour les même raisons que celles qui limitent la résolution, la gamme de rapport m/z couverte par un filtre de masse quadripolaire est actuellement de l ordre de à u. Enfin, la transmission de ce type d analyseur est généralement bonne, elle est toutefois fonction de ( m/m) 2, elle chute donc très rapidement lorsque la résolution (ou, ce qui revient au même, la masse) augmente Piège à ions (Ion Trap) Le piège à ions est basé sur un principe analogue à celui du filtre quadripolaire. La combinaison d un champ électrique radiofréquence et d un potentiel continu permet de confiner les ions à l intérieur d une cellule de forme cylindrique. Un spectre de masse est obtenu en détectant les ions progressivement éjectés de la cellule par balayage du champ radiofréquence. Les performances de ce système sont comparables à celles du filtre quadripolaire [56]. Figure 23 Diagramme de stabilité d un quadripôle Le pouvoir de résolution m/ m va dépendre de la pente de la droite A donc du rapport des tensions ; plus la droite est proche du sommet du diagramme de stabilité, plus la résolution est élevée et plus la transmission est faible. Lorsque l on fait un balayage à U/V constant, la résolution est constante pour toute la gamme de m/z explorée. Par ailleurs, l intensité d un pic étant inversement proportionnelle à la résolution, un tel mode de fonctionnement minimise la discrimination en masse. n peut, pour conserver une bonne sensibilité aux faibles m/z, travailler avec une résolution qui croît avec la masse (c est-à-dire dans un mode où m est constant). Cela est obtenu avec une loi de balayage du type : U = Cte V V où V est une tension fixe qui détermine la valeur de m. L une des conséquences directes de ce type de fonctionnement est une diminution de sensibilité pour les hautes masses. Pour certains appareils commerciaux, le rapport U/V est ajusté tout au long du balayage par ordinateur pour maintenir un bon équilibre résolution-sensibilité. Le pouvoir de résolution maximal peut être calculé à l aide de la relation : avec ev z énergie cinétique initiale des ions selon l axe z, L longueur des barres, V / m La trajectoire des ions est stable à l'intérieur du diagramme quand l'équation m = 2,83 ev / ωr 0 2 est vérifiée. Le balayage des ions est effectué en faisant varier U et V et en gardant leur rapport constant. m 1 > m 2 > m 3 > m Performances et développements des filtres quadripolaires Le filtre de masse quadripolaire est certainement le spectromètre de masse le plus largement utilisé dans le monde. Ce succès est dû à sa facilité de mise en œuvre, sa simplicité de construction, son faible encombrement et surtout à son faible coût. Il possède en outre une haute transmission et permet de grandes vitesses de balayage, avantages très appréciables en couplage avec un chromatographe en phase gazeuse ou liquide. En revanche ses performances en résolution, en mesure de masses exactes et en gamme de masse sont plus limitées. Les applications des filtres de masse quadripolaires couvrent tous les domaines de l analyse ; depuis celle des gaz résiduels jusqu à celle des produits bio-organiques grâce, en particulier, à l électrospray, en passant par l analyse isotopique (encore que dans ce cas les secteurs magnétiques semblent les plus utilisés), l analyse organique ou l analyse élémentaire. Les champs quadripolaires n ont pas pour seule application le filtre de masse ou le piège à ions, ils sont également utilisés comme éléments focalisants sur des faisceaux d ions d énergie cinétique de l ordre du kev, dans certains spectromètres de masse à secteur magnétique Spectromètres de masse à temps de vol (TFMS) Principe À une énergie cinétique donnée, la vitesse v d un ion est inversement proportionnelle à la racine carrée de sa masse moléculaire : PR m max Cte L2 V max = = m mv 2 max r 0 ev qv = z 2 PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation

19 SPECTRMÉTRIE DE MASSE d où 2qV v = m avec q = ze, z nombre de charges de l ion, V potentiel d accélération de l ion, m masse moléculaire de l ion. Après accélération, des ions de masses différentes peuvent donc être séparés dans un tube sans champ selon leur temps de vol. Les ions légers sont détectés les premiers, les ions plus lourds parviennent au détecteur après un certain délai qui dépend de leur masse. Afin de pouvoir réaliser cette séparation, il faut créer au départ un paquet d ions de faible largeur spatiale et temporelle. Cela peut être réalisé soit en créant les ions de façon continue et en pulsant l extraction, soit, plus généralement, en utilisant des techniques d ionisation pulsées. Le premier spectromètre de masse à temps de vol (TFMS) a été développé en 1955 (figure 24). Les ions sont formés dans une première zone par une brève injection d électrons ou de photons (impulsion laser). Ils sont ensuite extraits par un faible champ électrique, puis sont accélérés dans une deuxième zone et finalement traversent une région sans champ au bout de laquelle leur temps d arrivée sur un collecteur plan est mesuré. Grille de répulsion ( V) Faisceau de photons (ou d'électrons) pulsé Jet moléculaire effusif ou supersonique Tube de vol Grille d'accélération (masse) Grille d'extraction (V V ) Figure 24 Principe d un spectromètre de masse à temps de vol linéaire De la formule exprimant l énergie cinétique d un ion, on déduit que le temps de parcours t' dans la région sans champ de longueur L est donné par : t' = L/v = L (m/2qv) 1/2 De la même manière, le temps d accélération par un champ électrique E dans la zone de formation des ions est donné par : t'' = (2m /qe) 1/2 Collecteur plan (multiplicateur à microcanaux) La tension d'accélération V varie entre et V. La tension de la grille d'extraction est réglée de façon à avoir une focalisation au collecteur des ions formés à différentes positions dans la source. La longueur du tube de vol varie de quelques dizaines de centimètres à 1 m. Le montage est représenté avec une source à gaz. où représente la longueur du trajet des ions dans la zone d accélération. Le temps de vol t de l ion m est donc en première approximation égal à t' t". Le pouvoir de résolution d un tel dispositif est donné par : m/ m = t/2 t Si l on considère un ion de m/z = u accéléré par une différence de potentiel de V et évoluant dans un tube de vol de 2 m de longueur, la résolution théoriquement accessible est de 10 4, si l on admet qu il est possible de distinguer deux événements séparés par un t de 5 ns. En pratique, la résolution est limitée par trois facteurs : la durée de l'impulsion de formation des ions : elle peut être limitée soit en pulsant l'extraction des ions, soit en utilisant des impulsions d'ionisation de très courte durée (impulsion laser de l'ordre de la nanoseconde) ; l'épaisseur de la zone où s'effectue l'ionisation : la distribution spatiale des ions due à l'épaisseur du faisceau d'électrons ou de photons d'ionisation peut être compensée par un arrangement approprié des longueurs des deux zones d'accélération et des champs correspondants (focalisation temporelle au niveau du collecteur). Dans le cas des photons, l'épaisseur du faisceau peut être réduite à quelques dizaines de micromètres ; la distribution initiale d'énergie cinétique lors de la désorption ou la distribution d'énergie des ions dans les gaz à température ambiante : elle ne peut pratiquement pas être compensée dans le cas d'un montage linéaire. Les jets supersoniques permettent de remédier à cet inconvénient dans ce dernier cas. La solution généralement adoptée pour améliorer la résolution est l'adaptation d'un système de miroir électrostatique (réflectron) (figure 25a). À la sortie du tube de vol, les ions sont réfléchis par un miroir électrostatique et focalisés sur le collecteur d ions. De cette manière, et pour une masse déterminée, les ions les plus rapides parcourent dans le réflecteur une trajectoire plus longue que les ions les plus lents et ils parviendront simultanément au détecteur, on réalise ainsi une focalisation temporelle. Un autre type de montage a été mis au point dans lequel les ions réfléchis sont pratiquement recueillis dans l axe du tube (figure 25 b). L ionisation par laser pulsé (LDMS, MALDI) ou l ionisation par les produits de fission du 252 Cf (PDMS) sont particulièrement bien adaptées à ce type de spectromètre Caractéristiques Le domaine de masses transmis par un TFMS est, en principe, illimité. La faible sensibilité de détection d ions de m/z très élevés et l efficacité actuelle des techniques d ionisation sont les critéres limitants, notons toutefois que des ions de rapport m/z = u ont été récemment détectés par la technique TF-MALDI. Le pouvoir de résolution d un TFMS dépend de la durée de l impulsion d ionisation (ou, éventuellement, d extraction). Pour un spectromètre linéaire de 1 m, la résolution est de l ordre de 500. L adjonction d un réflectron permet d atteindre couramment des résolutions de à Enfin, en optimisant les conditions de travail et avec des impulsions laser de l ordre de la nanoseconde, des résolutions supérieures à peuvent être obtenues. La transmission d un spectromètre à temps de vol est excellente. En effet, elle n est limitée que par la transmission des grilles d accélération. Des transmissions globales de l ordre de 20 à 50 % sont généralement atteintes Spectromètres de masse tandem (MS/MS) Principe Le principe de la spectrométrie de masse tandem repose sur l existence de dissociations se produisant hors de la source d ions, qu elles soient spontanées (l ion qui se dissocie est «métastable») ou qu elles soient induites par collision avec un gaz inerte (CAD : collisionally activated dissociation ou CID : collision induced dissociation). En général, une expérience de spectrométrie de masse tandem consiste à sélectionner un ion M 1 à l aide d un premier spectromètre de masse (SM1) puis à analyser les ions fragments f 1j avec un second spectromètre (SM2) (figure 26). D autres procédés permettent de rechercher les ions M i précurseurs d un ion fragment f i1 ou même d un fragment neutre de Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation PE

20 SPECTRMÉTRIE DE MASSE Source d'ions à désorption laser Porte-échantillon Grilles d'extraction et d'accélération Faisceau laser Trajectoire des ions Réflectron Zone 1 Tube de vol Zone 2 Collecteur 1 Collecteur 2 Le champ dans le réflectron est réglé pour avoir une focalisation temporelle des ions de différentes énergies au collecteur 2. Le collecteur 1 est utilisé pour mesurer les ions en absence de champ dans le réflectron ou les fragments neutres formés dans la première zone du tube de vol. Les ions sont formés par désorption laser dans le schéma a et désorption plasma dans le schéma b a principe du réflectron Échantillon E i L d 2 d 3 MCP Cf d 1 MCP 1 M MCP 2 FF 1 FF2 M M 2 M 1 Convertisseur L' Dans cet appareil équipé d'une source au 252 Cf, on utilise le fragment de fission émis dans la direction opposée à celle de l'échantillon pour déclencher avec précision le chronomètre. FF 1, FF 2 d 1 d 2 d 3 L L' MCP 0, MCP 1, MCP 2 fragments de fission longueur de la zone d'accélération (4 mm) longueur de la zone de décélération (5 mm et 10 mm) longueur de la zone sans champ (920 mm) longueur de vol sans champ en retour (610 mm) détecteurs multiplicateurs à microcanaux b spectromètre réflex à source au 252 Cf Figure 25 Principe du réflectron et du spectromètre réflex à source au 252 Cf SM1 M 1 / / f 11 / f 12 / f 13 SM2 / Le spectromètre SM1 isole l'ion M 1 ; les ions f / 1 j formés dans la région de réaction R sont analysés par le spectromètre SM2 Figure 26 Principe de la spectrométrie de masse tandem M i R masse f ij. La spectrométrie de masse tandem apporte donc des informations sur un ion de m/z déterminé, et cela indépendamment des autres ions produits dans la source. L activation par collision fournit un spectre particulièrement riche qui peut être utilisé comme empreinte caractéristique de la structure de l ion M i. Cette propriété rend possible l identification d un composé par simple comparaison avec un spectre de collision de référence. Elle est particulièrement précieuse lorsque le mode d ionisation utilisé ne fournit que très peu de pics sur le spectre de masse conventionnel (ionisation chimique, désorption-ionisation..). Les applications de la spectrométrie de masse tandem sont très larges : domaines analytique (structures moléculaires, caractérisation des constituants d un mélange, recherche de traces..) et fondamental (structure d ions, thermochimie, mécanismes de fragmentations ou de réactions ion-molécules) Appareillage Plusieurs types de spectromètres de masse tandem sont commercialisés, ils combinent secteurs électrostatiques E et magnétiques B et (ou) filtres quadripolaires Q. Dans ce cas, les étapes de sélection et d analyse sont spatialement distinctes. En revanche, dans les spectromètres de masse à résonance cyclotronique ionique et transformée de Fourier ainsi que dans les pièges à ions, c est la séparation temporelle de ces étapes qui est mise à profit pour obtenir des informations sur la filiation M i f ij et même sur une succession de n fragmentations (MS n ). Appareils à secteurs électromagnétiques Les fragmentations, métastables ou induites par collisions, exploitées dans ce type de spectromètres de masse tandem se produisent pendant le temps de vol des ions, dans les «régions libres de champs» (RLC) de l analyseur. Chacune de ces régions est en général équipée d une chambre de collision. Dans un appareil à double secteur (géométrie EB ou BE, figure 27) on distingue deux régions «libres de champs» : la première située entre la source et le premier secteur (RLC1) puis la deuxième située entre les deux secteurs (RLC2). Les dissociations se produisant dans la RLC1, bien que ne se produisant pas entre deux analyseurs de masse, sont exploitées au moyen d un balayage simultané des tensions des secteurs B et E. Ces «balayages combinés» peuvent se faire principalement de trois manières : PE Techniques de l Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation