La Spectrométrie de Masse

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1 La Spectrométrie de Masse MS

2 Comment identifier une substance? UV Fluorescence RMN IR

3 La MS: détection universelle Information structurale Identification de la substance

4 Généralités La spectrométrie de masse: Permet de déterminer la masse d espèces atomiques ou moléculaires. Fourni des informations sur la nature,, la composition et la structure des composés présents dans un échantillon. Dans un spectromètre de masse (MS), les molécules sont cassées (fragmentation( fragmentation) ) par un processus de ionisation. Les ions formés sont soumis à l action d un champs électrique et/ou magnétique et sont dirigés vers un filtre de masse.

5 Généralités (suite) Ces ions sont filtrés un par un suivant leur rapport masse/charge (m/z). Un détecteur va mesurer l abondance de chaque ion. Les résultats se présentent sous la forme d un spectre de masse qui représente l abondance des ions en fonction de leur rapport m/z Le spectre de masse est une empreinte caractéristique («carte d identité») de la molécule analysée.

6 Schéma général d un GC-MS Filament N OR - OR N + Fragments Faisceau d électrons Four GC Zoom Filtre de masse quadripolaire Système d acquisition Colonne GC Interface Chambre de ionisation Multiplicateur Vers les pompes à vide

7 Schéma général d un LC-MS ou CE-MS Colonne (LC) ou capillaire (CE) Gaz de nébulisation Skimmer («écrémeur») Octopole Gaz de séchage Détecteur Interface Capillaire MS Zone de fragmentation Lentilles Quadrupole Pression atmosphérique Vide : 1 Torr 10-2 Torr 10-5 Torr

8 Composants principaux d un MS Interface pour l entrée de l échantillon (sample inlet) Chambre de ionisation (ion source) Filtre de masse (mass filter) Détecteur (detector) Pompes à vide (vacuum system) Système de traitement des données (data system)

9 Interface Problème: les molécules à analyser doivent passer de la pression atmosphérique à une pression très basse (le MS est sous vide) Le type d interface dépend du système de séparation en amont du MS: chromatographie liquide ou gazeuse

10 Types d interface Injection directe (sans système chromatographique en amont) Interface GC: couplage direct ou split entre la colonne GC et le MS Interface LC: l échantillon en solution doit être volatilisé pour être analysable dans le MS. Ex.: ionisation electrospray (ESI) ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) Gaz de nébulisation Aiguille de nébulisation Flux LC Gaz de séchage 3000 V MS

11 Ionisation Electrospray (ESI)

12 Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI)

13 Chambre d ionisation (Ion source) Les molécules sont ionisées et se fragmentent Deux types principaux de ionisation en GC/MS: Ionisation par impact électronique (EI) Ionisation chimique (CI)

14 Ionisation par impact électronique (EI) Filament Repousseur (Repeller) Vers le filtre de masse Molécules Ions Cathode

15 Ionisation chimique (CI) Une grande quantité de gaz réactif (méthane, ammoniac ou isobutane) est introduite dans la source. Ce gaz est bombardé par des électrons et est ionisé. Les molécules de gaz ionisées réagissent ensuite entre elles ainsi qu avec les molécules de l échantillon. La CI est plus «douce» que l EI, elle engendre moins de fragmentation

16 Le filtre de masse Les ions sont séparés sur la base de leur rapport masse/charge (m/z( m/z) Il y a 4 types de filtres de masse: Source 1. Time Of Flight (TOF) d ions Détecteur 2. Radio-fréquence (quadrupole et trappe) 3. Transformée de Fourrier (Ion Cyclotron Resonance (ICR) ou FTMS) 4. Secteur magnétique (ex.: IRMS)

17 Filtre de masse: quadrupole Différentes tensions sont appliquées sur les 4 barres du quadrupole, ce qui permet de filtrer les différents ions selon leur rapport m/z. Seuls les ions qui correspondent aux paramètres du filtre de masse à un instant donné peuvent passer à travers le filtre. Les autres ions s écrasent sur les barres du quadrupole. A un instant donné, un seul type de ion peut traverser le quadrupole

18 Filtre de masse: quadrupole Barres du quadrupole Flux d électrons Ion «éliminé» (non résonnant) Détecteur Quadrupole Ion filtré (en résonnance) Entrée échantillon Source Filament

19 Filtre de masse: trappe Ce filtre fonctionne comme un piège: initialement, tous les ions sont prisonniers dans la trappe. En augmentant progressivement la tension dans les électrodes, les ions sont éjectés un par un vers le détecteur Certains ions peuvent être retenus dans la trappe et subir une deuxième ou troisième fragmentation

20 Filtre de masse: trappe Electrode hyperbolique (calotte) Electrode annulaire Electrode hyperbolique (calotte)

21 Le détecteur Les ions entrent en contact avec un multiplicateur d électrons,, qui sert à amplifier le signal. Le détecteur sert à compter les ions Il génère un signal proportionnel au nombre total de ions de chaque masse Une seule masse (un seul rapport m/z) ) est détectée à un instant donné.

22 Le détecteur Multiplicateur d électrons Barre du quadrupole Ion Déflecteur Libération d électrons en cascade Ion Signal

23 Pompes à vide Deux pompes sont connectées en série pour maintenir le vide dans le MS: une pompe rotative (vide «grossier») une pompe turbomoléculaire ou à diffusion (vide élevé) Le vide dans le MS est nécessaire pour: Le déplacement des ions dans le quadrupole sans collisions. Réduire les interactions ion-molécules Augmenter la durée de vie du filament (sensible à O 2 ) Eviter une décharge électrique

24 Le spectre de masse Graphique qui représente l abondance de chaque rapport m/z mesuré par le MS. Types de ions (ou pics): ion moléculaire (molécule non fragmentée) pic de base (ion le plus abondant du spectre) fragment (formé par la rupture d une ou plusieurs liaisons de la molécule) réarrangement: : formé par la rupture de liaisons et la migration d atomes

25 Le spectre de masse: exemple Pic de base Fragments Ion moléculaire (M + ) (m/z)

26 Le spectre de masse: interprétation Clenbutérol

27 TIC LC et GC couplées à la spectrométrie de masse «Total Ion Current» ou «Total Ion Chromatogram) Représente la somme des intensités de tous les ions mesurés

28 TIC et spectre de masse A chaque instant, on peut obtenir un spectre de masse à partir d un TIC Le spectre donne une image instantanée des ions mesurés au temps t Le TIC représente finalement la somme de tous les spectres

29 La GC-MS et LC-MS La GC-MS ou la LC-MS fournissent des informations en 3 dimensions: Temps Intensité Masse 3. 1.

30 Modes d acquisition: SCAN et SIM SCAN Le MS balaye un intervalle de masse (ex.: de 50 à 500 Dalton) Les ions sont mesurés un par un sur tout l intervalle (m/z 50, 51, 52, 53, etc ) Technique peu sensible (le MS passe peu de temps d acquisition sur chaque ion) mais plus spécifique (tous les ions de l intervalle sont mesurés) Utilisée pour identifier un composé (interprétation du spectre ou recherche en bibliothèque)

31 Modes d acquisition: SCAN et SIM SIM (Selected Ion Monitoring) Le MS est paramétré pour mesurer seulement certains ions choisis. (ex.: nandrolone: m/z 405 et 420) Les ions caractéristiques de la molécules doivent être préalablement connus Technique sensible: : chaque ion d intérêt est mesuré pendant un intervalle de temps plus long utilisée pour les quantifications Technique peu spécifique: : le spectre ne contient que très peu d informations.

32 Le «tuning» du MS Sert à optimiser les paramètres de la source, du filtre de masse et du détecteur pour obtenir des spectres corrects. Les paramètres de la source influencent le nombre de ions produits, le nombre de ions qui traversent le quadrupole et la quantité relative d un ion de masse donnée. Ces paramètres sont réglés automatiquement par le système (autotune), ou peuvent être ajusté manuellement. Le tune s effectue avec un standard: la Perfluorotributylamine (PFTBA)

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