Spectrométrie de Masse (SM) I. Définition: C est une technique de mesure des rapports masse-sur-charge (m/z) de molécules individuelles et ionisées, grâce à la perte ou au gain d une charge électrique, et de leurs produits de fragmentations. L existence d isotopes se traduit par la présence de plusieurs pics moléculaires. Cette technique permet l'analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation. Elle permet de recueillir des informations sur la nature, la composition et la structure des espèces présentes dans l échantillon analysé. II. Le principe de la technique SM: Cette technique se base sur l'analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation. Les ions de charge z et de vitesse v B, le champ magnétique, subissent une force magnétique 2 v F = zvb = m r v = zbr m r : Rayon de la trajectoire (rayon de courbure) de l'ion Or 1 2 2 m v = zv B 2 r 2 m / z = 2V V : Tension d'accélération de la trajectoire ( de l'ion III. Le spectromètre de masse: Le spectromètre de masse doit assurer les opérations suivantes: 1- Volatiliser (Séparer les molécules les unes des autres): On passe de l état de matière condensée à un état gazeux. 2- Ioniser (Transformer les molécules en ions): Grâce à des champs électriques 3- Mesurer les rapports m/z La masse moléculaire est calculée à partir du rapport masse sur charges (m/z). Figure 1: Spectromètre de Masse. Page 1
Un spectromètre de masse est constitué au minimum de: Un système d'introduction de l'échantillon. Une source (production des ions) où a lieu l'ionisation des molécules et la fragmentation des ions. Un analyseur qui sépare les ions en fonction de leur masse et de leur charge. Un collecteur d ions ou détecteur qui détecte les ions sortants de l'analyseur et les exprime en fonction de leur abondance relative. Un système d enregistrement et de traitement des données. Figure 2: Composition d'un Spectromètre de Masse. III.1 - Le système d'introduction de l échantillon Pour les gaz et les liquides volatils, il existe des systèmes d'introduction à l'aide d'un ballon chauffé mis en communication avec la source. Pour les solides, on utilisera généralement un tube d'introduction possédant un filament sur lequel on déposera l'échantillon préalablement dissous dans un solvant organique et chauffé pour être vaporisé. III.2 - La source d ions L'ionisation des molécules se fait par l impact électronique (EI), l'ionisation chimique (IC) ou l'électrospray. La source est une chambre en acier inoxydable où règne un vide d'environ 6.10-7 mm Hg. Un filament en rhénium émet des électrons qui seront accélérés sous une tension de 70 Volts. La collision des électrons à 70 ev et des molécules est très énergétique. Page 2
L'ionisation par impact électronique (EI): Des ions positivement chargés sont formés M + e M + + 2e Les ions moléculaires ont tendance à se briser pour former des fragments. L'ionisation chimique (CI): Des ions chargés sont formés par des réactions chimiques entre les molécules et les ions. Cette ionisation est moins énergétique que (EI). L'ionisation par bombardement avec des atomes accélérés (FAB): Des ions chargés sont formés par bombardement avec des atomes lourds accélérés (par exemple, xenon à 6 kev). L'ionisation par 'electrospray' (ESI): La pulvérisation d'une solution de l'analyte à travers un champ électrique (quelque kv) produit les ions. L'ionisation par désorption au laser assistée par la Matrice (MALDI): l'analyte est dissout dans une matrice, une petite quantité de la solution est introduite et bombardée par une impulsion laser. IV. Analyse d'un spectre de masse: IV. 1: Spectre de masse: Le spectre de masse est obtenu en bombardant la substance avec des électrons dont l énergie est de l ordre de 70 ev. Dans ces conditions, chaque molécule se brise et de nombreux fragments ioniques sont formés. - Les Pics du spectre: a/ Le pic de base: C'est le pic le plus intense (le plus abondant) du spectre. b/ Le pic moléculaire ou pic parent: est presque le pic le plus lourd correspond le rapport m/z = masse moléculaire Le pic moléculaire Le pic de base c/ Les pics de fragmentation : permettent de reconstituer une partie de la structure. L intensité des pics permet de faire de l analyse quantitative. Page 3
Figure 3: Les pics du spectre SM. Les figures 4,5 et le tableau 1 montrent les pics principaux correspondent bien aux ions C n H 2n+1 du tetradécane. Figure 4: Spectre de Masse de tetradécane. Page 4
Figure 5: Fragmentation de tetradécane. Tableau 1: m/z des ions produits de fragmentation de tetradécane. Les informations apportées par le spectre de masse sont: 1- La masse moléculaire: La valeur m/z du pic moléculaire permet de calculer la masse moléculaire. 2- La masse des fragments: Les pics de fragmentation permettent de reconstituer une partie de la structure. 3- Une mesure de la quantité: L intensité des pics permet de faire de l analyse quantitative IV. 2: Les masses à mesurer: Masse monoisotopique: c est la masse du premier pic du profil isotopique. On l'appelle le pic "P", les autres pics sont appelés "P+1", "P+2","P+3"... Figure 6: Pic monoisotopique. Page 5
Masse chimique ou moyenne: c est le barycentre (centroïde) des masses des pics constituant le profil isotopique. Figure 7: Masse moyenne. Page 6