Spectrométrie de masse

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2 Principe Technique fondée sur la mesure du rapport masse sur charge d ions en phase gazeuse obtenus à partir d un analyte. m z (avec z 1) Les ions (+ ou -) formés dans la source de l appareil sont accélérés, puis séparés par l analyseur avant d atteindre le détecteur. 2

3 Principe Le spectre de masse obtenu représente l abondance relative des différentes espèces ioniques présentes. 3

4 Principe Les composés sont formés d éléments présents sous forme d un mélange d isotopes stables. Un ion comporte plusieurs pics correspondant à distribution statistique des isotopes qui le constitue. la Motif isotopique 4

5 Principe Abondances d isotopes stables 5

6 Principe Les ions moléculaires produits en phase gazeuse se fragmentent selon plusieurs réactions. ionisation M + e - M e - molécule ion moléculaire fragmentation M. + F + + R. ion fragment (nb e - pair) radical neutre F. + ion fragment (nb e - impair) + N molécule neutre 6

7 But Mesure de la masse de composés Elucidation structurale (squelette, fonctions, arrangement spatial) de composés grâce à des fragmentations 7

8 Constituants d un spectromètre de masse 8

9 Constituants d un spectromètre de masse dispositif d introduction de l analyte source pour l ionisation de l analyte analyseur(s) séparant les ions en f(m/z) détecteur de comptage des ions informatique de traitement des données 9

10 Sources d ions IE impact électronique IC ionisation chimique DCI FAB MALDI ES ionisation chimique par désorption ionisation par bombardement d ions désorption laser électropulvérisation (electrospray) ICP-MS plasma par couplage inductif 10

11 Détecteur Plaque photographique l énergie des ions est suffisante pour impressionner une surface sensible photographique. Désuet Collecteur de Faraday un ion frappant une plaque métallique mise à la masse par une résistance importante crée une ddp. le courant induit est mesuré. intensité minimale détectable est d environ 0,1 fa soit 1000 ions par seconde. 11

12 Détecteur Multiplicateur d électrons dispositif convertissant les ions en électrons ensuite multipliés. channeltron galette de microcanaux 12

13 Analyseur à secteur magnétique un secteur magnétique dévie les ions sortant de la source selon une trajectoire circulaire dépendant du rapport m/z. rayon de la trajectoire : R = m v z B (F c = mv 2 /R et F m = zvb avec z = ne) 13

14 Analyseur à secteur magnétique 14

15 Analyseur à secteur magnétique un ion sortant de la source a acquis une énergie cinétique E c et donc une vitesse constante v sous l effet d un potentiel accélérateur U. E m v 2 2 c = = z U avec R = m v z B m z = 2 R B 2 U 2 15

16 Analyseur à secteur magnétique analyseur magnétique généralement associé à un secteur électrostatique jouant le rôle d un filtre en énergie cinétique destiné à augmenter la résolution. Ec c = m v 2 2 = z U F m v r 2 e = = z E r = 2 U E 16

17 Caractéristiques d un analyseur Sensibilité capacité à détecter un signal faible. détermine la limite de détection. Gamme de masse intervalle entre les masses la plus faible et la plus élevée détectables. 17

18 Caractéristiques d un analyseur Dispersion de masse distance séparant deux ions de masse m et m+δm Δm D = R. m Pouvoir de résolution capacité à distinguer des pics proches correspond à la largeur du pic à mi-hauteur PR = m Δ m 18

19 Concept datant des années Appliqué seulement depuis une vingtaine d années, grâce à l introduction de la transformée de Fourier dans le traitement des données. 19

20 Piège magnétique à ions de très grande précision en masse. Mesure de la fréquence de rotation des ions dans un champ magnétique intense sert à leur détection. 20

21 Cellule d analyse cubique constituée de six plaques isolées les unes des autres. Chaque paire de plaques parallèles joue un rôle distinct : piégeage excitation détection 21

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23 Piège de Penning ion + au centre E produit par deux coupelles + (a) et par électrode circulaire - (b) B homogène produit par un électro-aimant toroïdal (c) 23

24 Piégeage Cellule placée dans un champ d induction magnétique B orienté selon l axe Oz perpendiculairement aux plaques de piégeage. 24

25 Piégeage Sous l effet du champ magnétique, un ion de charge z et 2 2 possédant une vitesse v x, y = v x + v y de composantes v x et v y est soumis à un mouvement circulaire «cyclotronique» dans le plan xoy résultant de l action opposée de la force de Lorentz F B = z.v x,y B et de la force centrifuge F c = mv 2 x, y r 25

26 Piégeage F B = F c conduit à la fréquence de rotation cyclotronique v y ν x, c = = 2πr z m B 2π B C 26

27 Piégeage Tous les ions de même rapport m/z possèdent la même fréquence cyclotronique ν c, indépendante de leur vitesse initiale. ν = c z m B 2π Domaine de fréquences exploré : du khz au MHz (ex : B = 4,7 T, ν c = 72 khz pour ion m = 1000 u). 27

28 Piégeage Si le champ confine efficacement les ions dans les directions x et y, il n assure pas le piégeage dans la direction z. Pour éviter la fuite des ions, un faible potentiel électrique (~ 1V) est appliqué 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 Oz et une précession autour de l axe Oz. 28

29 Piégeage Après leur piégeage dans la cellule et à un instant déterminé, les ions se trouvent à des positions aléatoires. Ces trajectoires circulaires forment un ensemble incohérent n exerçant pas d effet macroscopique à l extérieur de la cellule. Dans ces conditions, aucun signal n est détectable. 29

30 Excitation Avant la détection, tous les ions de même m/z sont mis en phase par résonance cyclotronique en appliquant, pendant 1 µs entre les plaques d excitation, une tension alternative de fréquence égale à leur fréquence cyclotronique. 30

31 Excitation Sous l effet de ce champ électrique alternatif (radiofréquence), les ions acquièrent de l énergie et le rayon de leur orbite circulaire augmente. L excitation est stoppée avant que le diamètre de l orbite n excède les dimensions intérieures de la cellule. En pratique, tous les ions d un domaine de masses déterminé sont excités simultanément en balayant très rapidement (quelques ms) le domaine de fréquences correspondant. 31

32 Excitation 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 les ions indésirables sont éjectés. Ce procédé est utilisé pour sélectionner et isoler dans la cellule des ions de m/z déterminé. 32

33 Excitation L accélération des ions par résonance cyclotronique peut avoir deux autres usages : - l excitation communique aux ions une énergie cinétique appréciable (jusqu à plusieurs centaines d ev) mise à profit pour induire des dissociations par collision en présence d un gaz inerte. 33

34 Détection Le mouvement cohérent d ensemble d ions de même m/z induit un courant-image collecté par les plaques de détection. 34

35 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. i t 35

36 Détection Avec un ensemble d ions de m/z différents, le signal f(t) correspond à la superposition des courants induits par chaque ion. interférogramme I = f(t) La transformée de Fourier de ce signal temporel fournit le spectre des fréquences cyclotroniques correspondantes. I = f(ν) converti ensuite en spectre de masse : I = f(m/z) 36

37 Détection Balayage RF pour accélérer les ions Ions oscillants détectés comme courant-image TF pour extraire fréquence et amplitude, puis convertir en 37 spectre de masse

38 Phases : a) piégeage b) excitation c) détection 38

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40 Séquence d impulsions 40

41 Séquence d impulsions I 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 quelques millisecondes. Une durée d impulsion I de l ordre de la seconde conduit à l ionisation chimique de l échantillon car elle autorise de nombreuses possibilités de réactions ion-molécule. 41

42 Séquence d impulsions E j Etape d éjection A Etape d accélération R Pendant cet intervalle de temps modulable, les ions sélectionnés peuvent être mis en présence de molécules réactives (réactions ions-molécules) ou d un gaz inerte (dissociations induites par collisions). 42

43 Séquence d impulsions E x Etape d excitation D Etape de détection Q Etape de nettoyage par inversion du potentiel de piégeage (impulsion de quenching). 43

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45 Performances Résolution d un spectromètre de masse à résonance cyclotronique ionique liée à B et m/z selon : PR = m/δm = CzB/2m (C = constante d amortissement du signal inversement proportionnelle à la pression). résolution importante obtenue avec champ magnétique intense et pression faible (~µpa). 45

46 Performances Le PR 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 (PR = obtenu à la masse 40 u avec B = 7 T). Domaine de résolution dans la gamme 10 4 à

47 Performances Précision sur la masse de l ordre du ppm. (fonction de la résolution, de S/B, mais surtout de la technique d étalonnage). Gamme de masse théorique : u à 7 T Dynamique de l ordre de 10 4 Capacité de confinement maximal d environ 10 6 ions Limite de détection minimale d une centaine d ions. 47

48 Performances Précision 0,5 à 5 % Sensibilité ~ 10 fmol (MALDI) Coûteux (>1 M$) et volumineux Fichiers LC-MS : plusieurs TB en mode continu. L optimisation du fonctionnement de l appareil passe par de multiples traitements informatiques du signal et par l accumulation de signaux résultant de la répétition d un très grand nombre d expériences identiques. 48