Mass Spectrometry Center University of Mons-Hainaut

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1 Mass Spectrometry Center University of Mons-Hainaut 1 Introduction Based on a thirty year experience, the Mass Spectrometry Center hosted by the Faculty of Sciences of the University of Mons-Hainaut has been created in The center is nowadays equipped with six complementary mass spectrometers for a total cost of acquisition that surrenders the EUR. 2 Staff Prof Robert Flammang - Full Professor UMH Head of the Organic Chemistry Laboratory - Manager of the Mass Spectrometry Center Dr Pascal Gerbaux - FNRS Research Associate Michaël Boulvin - Civil engineer analyst and instrument management Noémie Dechamps - UMH assistant PhD student Julien De Winter, Laetitia Trupia, Gaëlle Pessesse - undergraduate students 3 Research topics The main research topics developed by the members of the Mass Spectrometry Center are relevant to the study of fundamental aspects of Mass Spectrometry. For instance, researches are conducted in order to understand the behaviors of organic molecules after ionization and transfer in the gas phase of the mass spectrometer. Unimolecular and bimolecular dissociation pathways have been hitherto the main center of interest. Nowadays, given the development of new

2 ionization modes, such as electrospray and MALDI, new aspects of Mass Spectrometry are approached and we can emphasize on the study of non covalent interactions in the context of chiral recognition or MALDI analysis of synthetic polymers. More than 250 publications over a period of thirteen years in peer-reviewed journals are indicative of the productivity of the researchers of the center. For instance, some relevant papers are cited here under. Amongst those papers, the great diversity of the investigated systems is interested to be noted. Tandem mass spectrometry of natural products. A.Maquestiau and R. Flammang, Tandem mass spectrometry (F.W. McLafferty Ed.), John Wiley & Sons, chapter 21, (1983). 2,5-Dithiacyclopentylideneketene and ethenedithione, S=C=C=S, generated by flash vacuum pyrolysis. C.Wentrup, P.Kambouris, R.A.Evans, D.Owen, G.Macfarlane, J.Chuche, J.C.Pommelet, A.Ben Cheikh, M.Plisnier and R.Flammang, J.Am.Chem.Soc., 113, (1991). Mass spectrometric studies of elusive molecules containing an N + -X - bond. P.Gerbaux, C. Wentrup and R. Flammang, Mass Spectrom. Rev., 19, (2000). Unsaturated compounds with heteroatoms. R. Flammang and P. Gerbaux, Encyclopedia of Mass Spectrometry, Volume 4, Part H04, N.M.N. Nibbering Editor, (2005). Bioaccumulation and effects of PCBs and heavy metals in sea stars (Asteria rubens, L.) from the North Sea : a small scale perspective. B. Danis, P. Wantier, R. Flammang, Ph. Pernet, Y. Chambost-Manciet, G. Coteur, M. Warnau and Ph. Dubois, Science of the total environment, 356, (2006). Synthesis and tensioactive properties of amphiphilic biocompatible poly([r,s] -malic acid)- graft-poly( -caprolactone) graft copolymers : comparative synthetic pathway. O.Coulembier, P.Degee, P.Gerbaux, P.Wantier, C.Barbaud, R.Flammang P.Guérin and P.Dubois. Macromolecules, 38, (2005). A chemoselective ligation for the synthesis of amino acid derivatives of virginiamycin M 1. K.Nott, S.Dufour, F.Gosselé, S.Heilporn, P.Gerbaux, P.Rollin, A.Tatibouët, G.Lognay, B.Wathelet and M.Paquot Tetrahedron Letters, (2005). More recently, given the increasing number of solicitations from the scientific community, more analytical topics have started to be approached. For instance, quantitative analysis of PCB s in sea stars from the North sea by GCMS, real time on line analysis of the gas phase during Chemical Vapor Deposition processes, MALDI and ESI analysis of synthetic polymers were some recent developed topics.

3 The skill of the lab members in the mass spectrometry techniques has been recently recognized and the Mass Spectrometry Center has evolved in an Inter- University Mass Spectrometry Center responsible of the Accurate Mass Measurements for the Chemical Groups of the French-Speaking Academies. This gives the Mons Laboratory a national dimension and some hundred samples to analyze a year. 4 Mass Spectrometers The Mass Spectrometry Center is nowadays equipped with six mass spectrometers that were chosen in order to cover the widest possible range of samples. For each mass spectrometer, more details are given in appendix. 4.1 Waters AutoSpec 6F This sector instrument is the proud of the laboratory since it is the unique one all over the world. This six sector instrument is mainly dedicated to fundamental researches but it is often used for the recording of EI and CI mass spectra of volatile compounds. High resolution (up to ) is also available and allows exact mass measurements. 4.2 Waters QToF2 This hybrid mass spectrometer allows the recording of low or high resolution mass spectra in electrospray (ESI) and Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI) ionization modes. A nanospray source is also possible to be fitted. Those ionization mode are mainly used for polar non volatile molecules such as peptides and proteins, organometallic compounds, synthetic polymers LCMS coupling is also available and the ToF analyzer allows the recording of accurate masses. 4.3 Waters QToF Premier This recently installed mass spectrometer is quite similar to the previous one except that the intrinsic characteristics sensitivity and resolution - are enhanced. Moreover, together with the ESI mode, the MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization) source is also available. This ionization technique is mainly used presently for synthetic polymers analysis.

4 4.4 Waters GCT Premier This instrument is based on the on line coupling of a gas phase chromatograph device and a mass spectrometer. The available ionization sources are EI and CI in positive and negative modes. Exact mass measurements during the analysis is also allowed by the ToF analyzer. This piece of information is interesting when the identification of impurities is required. Quantitative analysis are also accessible. 4.5 Interscience GCQ This GCMS mass spectrometer is less sensitive than the former and the exact mass measurement analysis is not possible. However, the Ion Trap analyzer is really powerful for GCMSMS investigations (quantitative studies of PCB s). 4.6 Hiden Analytical RGA HPR20 This quadrupole mass spectrometer is very sensitive but its mass spectrometry characteristics are less impressive than those of the other instruments EI mode only available, unit mass resolution, no mass accuracy, small mass range. On the other hand, this instrument is fitted with a capillary directly linking the atmospheric pressure and the ionization source. It is therefore really useful for Residual Gas analysis (RGA) at atmospheric pressure. 5 Analytical skills The mass spectra of the Mass Spectrometry Center are then really complementary when regarding the nature of the accessible molecules : - mass range from 10 to uma - polar and non polar organic molecules - organometallic compounds The proposed measurements are : - Mass spectra recording (EI, CI, LSIMS, ESI, APCI, MALDI) and, upon request, mass spectra analysis (mass spectra libraries available for comparison) - HRMS mass spectrometry : mass accuracy measurements in all the available ionization modes. Mass accuracy is an important information for composition confirmation (patent and publication)

5 - MSMS analysis : structure determination on the basis of collision-induced fragmentations - Mass Accuracy in GCMS and LCMS - GCMSMS and LCMSMS couplings 6 Collaborations The researches developed in the Mass Spectrometry Center lead to several academic national collaborations. Among these, we would like to emphazise: - ESI and MALDI-ToF analysis of synthetic polymers (Mons) - GCMS identification of pheromones (Mons) - Proteomic analysis (Mons) - Quantitative studies of saponines in marine organisms (Mons) - Non covalent complexes involved in medical imaging (Mons) - Mass analysis of DNA and peptides photoadducts based on Ruthenium complexes (ULB) - GCMS and HRMS analysis of synthetic products (FUNDP) - Deuterium atom incorporation in hopanoides (FUNDP) - Theoretical and experimental studies of the decomposition of gaseous organic ions (KUL) Collaborations with foreign laboratories: - Prof G Bouchoux (Palaiseau - France) : Experimental and theoretical investigations of the unimolecular and bimolecular chemistry of organic ions. - Prof J.K Terlouw (McMaster Canada) et Prof F Turecek (Seattle - USA) : Experimental and theoretical studies of gas phase decompositions of organic ions. - Prof R Srinivas (Hyderabad Inde) : Gas phase studies of ionized and neutral reactive intermediates. - Prof C Wentrup (Brisbane Australie) : Flash-vacuum pyrolysis and characterization of reactive intermediates. - Prof P Vainiotalo (Joensuu, Finlande) 7 Analytical works of the Mass Spectrometry Center Mass spectrometers placed at the disposal of (after training): - Service de chimie générale, organique et biomédicale (UMH) - Protéomique et biochimie des protéines (UMH)

6 - Service de biologie marine (UMH) - Service de Zoologie (UMH) ESI and MALDI-ToF analysis of synthetic polymers : - Service des matériaux polymères et composites (UMH) HRMS and GCMS analysis for : - Unité de Chimie Organique et Médicinale (UCL) - Laboratoire de Chimie Organique de Synthèse (FUNDP) - Laboratoire de Chimie Bioorganique (FUNDP) - Laboratoire de Chimie des Polymères (ULB) - Chimie organique et Photochimie (ULB) - Laboratoire de Biologie Marine (ULB) 8 Past projects The Mass Spectrometry Center has recently taken part in some large-scale projects : - Développement durable de la mer du Nord projet SSTC CVD Projet RW-UMH-Glaverbel Contacts Prof R Flammang Dr P Gerbaux Organic Chemistry Laboratory Avenue Maistriau Mons Tel ; robert.flammang@umh.ac.be Tel ; pascal.gerbaux@umh.ac.be

7 Centre de Spectrométrie de Masse Université de Mons-Hainaut 1 Bref descriptif Sur base d une expérience de plus de trente ans dans le domaine, un centre de spectrométrie de masse a été créé en 2000 au sein de la Faculté des Sciences de l Université de Mons-Hainaut. Ce centre possède, à l heure actuelle, six spectromètres de masse complémentaires dont le coût d acquisition total (étalé sur une vingtaine d années) avoisine les Personnel Prof Robert Flammang - professeur UMH chef du Service de Chimie Organique - responsable du centre de spectrométrie de masse Dr Pascal Gerbaux - chercheur qualifié FNRS Michaël Boulvin - ingénieur civil analyses et gestion des instruments Noémie Dechamps - assistante UMH chercheur Julien De Winter, Laetitia Trupia, Gaëlle Pessesse - étudiants 3 Domaines de recherche Les domaines de recherche approchés par les membres du centre de spectrométrie de masse relèvent pour les principaux de la recherche fondamentale et, en particulier, de la compréhension des mécanismes intrinsèques des processus de la spectrométrie de masse. L accent a été abondamment mis sur le comportement des espèces ionisées au sein de la phase gazeuse des différents spectromètres de masse. Ces différentes recherches ont fait l objet de plus de 250 publications étalées sur une trentaine d années

8 d existence. Parmi ces publications, quelques exemples significatifs peuvent être dégagés : Tandem mass spectrometry of natural products. A.Maquestiau et R. Flammang, Tandem mass spectrometry (F.W. McLafferty Ed.), John Wiley & Sons, chapter 21, (1983). 2,5-Dithiacyclopentylideneketene and ethenedithione, S=C=C=S, generated by flash vacuum pyrolysis. C.Wentrup, P.Kambouris, R.A.Evans, D.Owen, G.Macfarlane, J.Chuche, J.C.Pommelet, A.Ben Cheikh, M.Plisnier et R.Flammang, J.Am.Chem.Soc., 113, (1991). Mass spectrometric studies of elusive molecules containing an N + -X - bond. P.Gerbaux, C. Wentrup et R. Flammang, Mass Spectrom. Rev., 19, (2000). Unsaturated compounds with heteroatoms. R. Flammang et P. Gerbaux, Encyclopedia of Mass Spectrometry, Volume 4, Part H04, N.M.N. Nibbering Editor, (2005). Bioaccumulation and effects of PCBs and heavy metals in sea stars (Asteria rubens, L.) from the North Sea : a small scale perspective. B. Danis, P. Wantier, R. Flammang, Ph. Pernet, Y. Chambost-Manciet, G. Coteur, M. Warnau et Ph. Dubois, Science of the total environment, 356, (2006). Synthesis and tensioactive properties of amphiphilic biocompatible poly([r,s] -malic acid)- graft-poly( -caprolactone) graft copolymers : comparative synthetic pathway. O.Coulembier, P.Degee, P.Gerbaux, P.Wantier, C.Barbaud, R.Flammang P.Guérin et P.Dubois. Macromolecules, 38, (2005). A chemoselective ligation for the synthesis of amino acid derivatives of virginiamycin M 1. K.Nott, S.Dufour, F.Gosselé, S.Heilporn, P.Gerbaux, P.Rollin, A.Tatibouët, G.Lognay, B.Wathelet et M.Paquot Tetrahedron Letters, (2005). Plus récemment et devant la demande accrue du monde scientifique, les membres du laboratoire se sont partiellement impliqués dans des domaines de recherche plus appliqués ou analytiques. Nous pouvons citer la détection et l analyse quantitative de polluants (Polychlorobiphényles, PCB) dans des sédiments et organismes marins provenant de la mer du Nord (Projet SSTC) (5 ), l analyse en temps réel de la phase gazeuse obtenue lors de dépôts sur verre de type CVD (Chemical Vapor Deposition) (Projet RW) ou, plus récemment encore, l étude et la caractérisation de structures polymères par les techniques modernes de la spectrométrie de masse (6 ). L expertise des membres du laboratoire dans les domaines de la spectrométrie de masse a été reconnue très récemment par l extension du Centre de Spectrométrie de Masse du niveau local vers le niveau communautaire en vue de

9 répondre aux demandes des chimistes actifs au sein des institutions de la communauté scientifique de la Communauté Française. Ceci résulte en la prédominance du laboratoire montois en ce qui concerne les analyses de masse à très haute résolution et précision en masse menées sur plusieurs centaines d échantillons annuellement. 4 Matériel disponible Le centre de spectrométrie de masse est équipé de six spectromètres de masse sélectionnés pour couvrir le plus large éventail d analytes possible. Une fiche descriptive de chacun des appareils est disponible en annexe. 4.1 Waters AutoSpec 6F Ce spectromètre de masse à secteurs fait la fierté du centre de spectrométrie de masse par son caractère unique au monde. A côté de son utilisation pour la recherche fondamentale des membres du laboratoire, il permet la mesure de spectres de masse en modes d ionisation EI (Electron Ionisation), CI (Chemical Ionization) et LSIMS (Liquid Secondary Ions Mass Spectrometry). Les techniques EI et CI sont le plus souvent utilisées pour des molécules organiques volatiles. Ce spectromètre permet également le relevé de spectres de masse en haute résolution (> 10000) ce qui mène à la détermination non ambiguë de la composition de l échantillon (masse précise, 4 décimales significatives). 4.2 Waters QToF2 Ce spectromètre de masse hybride permet le relevé de spectres de masse en basse et en haute résolutions dans les modes d ionisation par electrospray (ESI), Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI) et nanospray. ces modes d ionisation sont principalement dédicacés aux molécules polaires non volatiles tels que des pesticides, hormones, composés organométalliques, polymères synthétiques, etc. Le couplage avec une chromatographie de type HPLC est également réalisé (couplage LC-MSMS). L analyseur à temps de vol (ToF) permet également la mesure de masses exactes. 4.3 Waters QToF Premier Ce spectromètre vient d être installé au laboratoire ; il présente les caractéristiques du précédent à la différence que les caractéristiques telles que la sensibilité et la résolution sont accrues. Par ailleurs, ce spectromètre de

10 masse possède comme source d ionisation, la source electrospray et la source MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization). Cette dernière technique d ionisation est pour le moment principalement utilisée dans le cadre de l analyse en masse de polymères synthétiques. 4.4 Waters GCT Premier Cet instrument possède le couplage chromatographie en phase gazeuse spectrométrie de masse. Les modes d ionisation disponibles sont les ionisations EI et CI. Par ailleurs, l analyseur à temps de vol permet la mesure exacte des différents constituants des mélanges analysés. Cette donnée, associée à l analyse des spectres de masse et des fragmentations observées, permet l identification des analytes. L aspect quantitatif est bien entendu également accessible. 4.5 Interscience GCQ Ce spectromètre de masse compact couplant également la chromatographie en phase gazeuse à la spectrométrie de masse présente des caractéristiques moindres que le précédent en termes de sensibilité et précision en masse (analyseur de type Ion Trap). Par contre, la possibilité de réaliser des analyses de type GC-MSMS lui confère une grande utilité dans certaines applications (dosage des PCB par exemple). 4.6 Hiden Analytical RGA HPR20 Ce spectromètre de masse possède une très grande sensibilité mais des performances moindres en terme de techniques d ionisation (EI uniquement), précision en masse (analyseur quadrupolaire) et domaine de masse accessible (< 1000). Cet instrument possède un dispositif de couplage direct entre la source d ionisation et la pression atmosphérique. Il est utilisable pour des études de type Residual Gas Analysis (RGA). 5 Expertise La complémentarité entre les divers spectromètres de masse présentés cidessus permet aux membres du laboratoire d analyser une très grande diversité de molécules de masses différentes ( uma) et de natures différentes (polaires, apolaires, organiques, organométalliques ). Les mesures réalisables sont :

11 - spectres de masse en routine (EI, CI, LSIMS, ESI, APCI, MALDI) et éventuellement analyses des schémas de fragmentations (confrontation avec des bibliothèques de spectres) - spectres de masse en haute résolution : mesure des masses exactes (4 décimales significatives) dans tous les modes d ionisation. Cette donnée est fondamentale pour la détermination de structures ou la confirmation de compositions (brevet, publication) - spectres de masse MSMS : fragmentations des ions et analyses de la structure - couplage GCMS et LCMS en haute précision en masse éventuellement - couplage GCMSMS et LCMSMS 6 Collaborations La recherche fondamentale approchée au laboratoire a mené à diverses collaborations académiques nationales (locales et communautaires). Nous pouvons citer : - Caractérisation de structures polymères en ESI et MALDI-ToF (Mons) - Détection et caractérisation de phéromones par GCMS (Mons) - Analyses protéomiques (Mons) - Identification et quantification de saponines dans des organismes marins (Mons) - Etude de complexes non covalents dans le cadre de l imagerie médicale (Mons) - Analyse en masse de photoadduits à base de complexes de Ruthénium (ULB) - Caractérisation de produits de synthèse par GCMS et HRMS (FUNDP) - Etude d incorporation de deutérium au sein d hopanoïdes (FUNDP) - Etude théorique et expérimentale des décompositions d ions organiques en phase gazeuse (KUL) Travaux de collaboration en cours avec des laboratoires étrangers : - Prof G Bouchoux (Palaiseau - France) : étude de la chimie d espèces ioniques en phase gazeuse - Prof J.K Terlouw (McMaster Canada) et Prof F Turecek (Seattle - USA) : étude théorique et expérimentale des décompositions d ions organiques en phase gazeuse - Prof R Srinivas (Hyderabad Inde) : étude expérimentale d ions organiques en phase gazeuse - Prof C Wentrup (Brisbane Australie) : étude de molécules réactives neutres générées par pyrolyse-éclair sous vide. - Prof P Vainiotalo (Joensuu, Finlande)

12 7 Activités du Centre de Spectrométrie de Masse Interuniversitaire Mise à disposition des spectromètres (UMH): - Service de Chimie Générale, Organique et Biomédicale (UMH) - Protéomique et Biochimie des protéines (UMH) - Service de Biologie Marine (UMH) - Service de Zoologie (UMH) Analyses ESI et MALDI-ToF (polymères): - Service des Matériaux Composites et Polymères (UMH) Analyses en HRMS et GCMS pour : - Unité de Chimie Organique et Médicinale (UCL) - Laboratoire de Chimie Organique de Synthèse (FUNDP) - Laboratoire de Chimie Bioorganique (FUNDP) - Laboratoire de Chimie des Polymères (ULB) - Chimie organique et Photochimie (ULB) - Laboratoire de Biologie Marine (ULB) 8 Projets finalisés - Développement durable de la mer du Nord projet SSTC CVD Projet RW-UMH-Glaverbel Contacts Prof R Flammang Dr P Gerbaux Laboratoire de Chimie Organique Avenue Maistriau Mons Tel ; robert.flammang@umh.ac.be Tel ; pascal.gerbaux@umh.ac.be

13 Centre de spectrométrie de masse AutoSpec 6F Sources : EI (+/-), CI (+/-), LSIMS Analyseurs : Secteurs magnétiques Secteurs électriques Détecteur : Photomultiplicateur d électrons, hors axe Résolution : > Mise en service : 1990 Secteur électrique 1 Secteur Secteur électrique 2 magnétique 1 Cellule de collision 2 Cellule de collision 1 Détecteur 1 Source 1 (EI, CI, LSIMS) Hexapôle Détecteur 3 Cellule de collision 3 Source 2 Cellule de collision 4 Détecteur 2 Secteur électrique 4 Secteur magnétique 2 Secteur électrique 3

14 Centre de spectrométrie de masse QToF 2 Sources : Electrospray Nanospray Analyseurs : Quadrupôle Temps de vol (ToF : Time of Flight) Détecteur : MCP (Micro-Channel Plate) Résolution : > (mode V) Mise en service : 2001

15 Centre de spectrométrie de masse QToF Premier Sources : MALDI Analyseurs : Quadrupôle Temps de vol (ToF : Time Of Flight) Détecteur : MCP (Micro-Channel Plate) Résolution : > (mode V) > (mode W) Couplage : HPLC Mise en service : juillet 2006 Electrospray

16 Centre de spectrométrie de masse GCT Premier Sources : EI (+/-), CI (+/-), DIP Analyseur : Temps de vol (ToF : Time of Flight) Détecteur : MCP (Micro-Channel Plate) Résolution : > 8000 (mode V) Mise en service : septembre 2006 Réflectron Détecteur MCP Pusher Analyseur en masse : Temps de vol Four du GC Vanne pneumatique d isolation Source d ions EI ou CI Interface GC

17 Centre de spectrométrie de masse GCQ Sources : EI (+/-), CI (+/-) Analyseur : Ion Trap Détecteur : Multiplicateur d électrons Résolution : Unit mass Mise en service : 1998

18 Centre de spectrométrie de masse Hiden Analytical RGA (RGA = Residual Gas Analysis)