Introduction à la


SPECTROMÉTRIE DE MASSE


par Pierre Dubreuil





Historique

Première mesure de spectres de masse en 1912 par Thompson et méthode d’ionisation et passage dans un secteur magnétique par Arnot et Milligan en 1918. Utilisation en 1919 des masses atomiques par Aston. Montage en 1946 d’un appareil à temps de vol (TOF-MS) par Stephens, celui d’un analyseur par filtre quadrupolaire en 1953-58 par l’équipe de Paul. Branchement de la chromatographie en phase gazeuse en 1956 par Gohlke et McLafferty. Utilisation en 1965 de l’appareil ionique à cyclotron par résonance par l’équipe Ripple et son équipe. Application de l’ionisation chimique par Munson et Field en 1966, de l’ionisation « électrospray » par Dole et son équipe en 1968 et la « thermospray » par l’équipe de Blakely. Couplage de la chromatographie en phase liquide en 1973 par McLafferty. Depuis ce temps, la technique du spectromètre de masse s’est constamment améliorée.


Applications

À l'origine la spectrométrie de masse servait à détecter et séparer les différents isotopes d'un élément. Elle est maintenant utilisée pour élucider la structure d'une substance en l’introduisant directement dans l'appareil ou en analysant les produits de séparation provenant de la chromatographie gazeuse, chromatographie liquide ou électrophorèse capillaire.


Description d'un spectromètre de masse

Appareil dans lequel des ions sont - produits à partir d'un échantillon
- séparés selon leur rapport masse/charge
- détectés
- exprimés en fonction de leur abondance relative



Figure 1. Schéma d'un spectromètre de masse muni d'un secteur magnétique. Le champ magnétique est variable.


Le bombardement des molécules au moyen d'électrons de haute énergie, atteignant habituellement 70 éV ou 6750 kJ, convertit quelques molécules en ions. Le taux d'ionisation est très faible, d'environ 1%. Voir les autres méthodes d’ionisation page suivante. Les potentiels d'ionisation des molécules varient d’environ 10 à 14 éV (965 à 1350 kJ). L'énergie des liaisons chimiques varie de ~ 4 à 5 éV (386 à 480 kJ). Le potentiel appliqué est habituellement de 70 éV, donc suffisamment grand pour ioniser les molécules et rompre les liaisons. La séparation de ces ions accélérés se fait dans un champ électrique ou magnétique selon leur rapport masse/charge.

En général on ne peut pas localiser la charge et c'est pour cette raison que les crochets [ ] sont utilisés.

Tableau 1

Pour enlever un électron de la liaison -C=O
type énergie (éV)
électron non liant 9,8
électron p 10,6
électron s 11,5


La détection se fait par multiplication d’électrons ou par génération de photons sous l’impact électronique.



Techniques utilisées et étapes dans l'obtention d'un spectre de masse


1. Préparation et introduction de l'échantillon


Le composé doit être à l'état de vapeur; idéal donc pour les gaz et les liquides dont la tension de vapeur est assez grande. Le gaz est introduit dans la chambre d'ionisation par un tube muni d'une "fuite". La pression dans le réservoir est ~10-2 torr et à la source de 10-6 à 10-8 torr.

Si le composé est un liquide ou un solide volatil, l'injection est directe mais le composé est chauffé pour être vaporisé; ce qui peut entraîner de la pyrolyse.

Le composé peut provenir directement d'un appareil de chromatographie liquide ou gazeuse ou d’un appareil d’électrophorèse capillaire.



2. Modes d’ionisation

a) Impact électronique - c’est la méthode la plus utilisée et celle qui donne le plus grand nombre de fragments.




b) Ionisation chimique - la substance à analyser est injectée dans la source avec un large excès de méthane ou autre hydrocarbure de faible masse molaire. L’hydrocarbure ionisé en premier, ionise la substance par transfert de charge.






Figure 2. Spectre de masse de la benzophénone obtenu par ionisation chimique. L’ion moléculaire apparaissant à 183,2 m/e correspond à MH+, puisque la masse molaire de cette substance est 182,2 g/mol.




c) Ionisation par plasma (ICP) - gaz partiellement ionisé qui excite et ionise les atomes. Convient aux composés inorganiques et aux solutions aqueuses.


Figure 3. Schéma d’un module de production de plasma par induction (ICP, inductively-coupled plasma).


d) Bombardement par atomes rapides (FAB) - un faisceau d’atomes neutres comme Xe ou Ar dirigé sur un solide provoquant sa désorption et son ionisation. Causant peu de fragmentation mais donne des ions moléculaires intenses. Surtout utilisé pour les grosses molécules.


e) Ionisation par ablation au laser (LA) - arrache des atomes à la surface d’un solide; ce qui crée un microplasma qui ionise une partie du substrat. Surtout appliquée sur des solides inorganiques.


f) Ionisation par désorption au laser d’une matrice (MALDI) - vaporise et ionise de grosses molécules biologiques (protéines et fragments d’ADN) dispersées dans une matrice solide comme l’acide nicotinique (chromophore) qui absorbe l’excès d’énergie.



Figure 4. Schéma du procédé MALDI. Adapté de: J. Chem. Edu, 1997, 74, 1288.


Trois Étapes - chauffage rapide de la matrice par laser
- désorption de molécules neutres et intactes
- ionisation douce et sélective des molécules désorbées. L’analyse se fait par spectrométrie à temps de vol



3. Modes de séparation - types de spectromètres.

a) Secteur magnétique


Figure 5. Schéma d’un spectromètre de masse avec secteur magnétique. Appareil à simple focalisation.




Figure 6. Schéma d’un spectromètre de masse avec secteur magnétique. Appareil à double focalisation.
Tiré, traduit et adapté de: http://sirio.cineca.it/mass_spectrom/welcome.htm



L’énergie cinétique acquise par les ions accélérés par la tension accélératrice est

m = masse de l'ion
v = vitesse de l'ion
e = charge de l'ion
V = tension accélératrice



Les ions traversent le secteur magnétique où leur trajectoire est incurvée. Seuls les ions de m/e dont la force centrifuge = la force centripète passe dans le secteur magnétique.



r = rayon de courbure de la trajectoire de l’ion qui donne:


et



Ce qui démontre que les ions de différents rapports m/e atteignent le détecteur en faisant varier H ou V.


b) Filtre quadrupolaire


Figure 7. Schéma d’un filtre quadrupolaire.




c) Piège à ions (ion trap)

Figure 8. Schéma d’un piège à ions.




d) Spectromètre à temps de vol (TOF-MS)

Figure 9. Schéma d’un spectromètre à temps de vol.


La séparation des différents ions est basée dans le spectromètre de masse à temps de vol est basée sur le fait que les ions de masses différentes se déplacent à des vitesses différentes. L’ionisation se fait en mode pulsé. Tous les ions produits sont accélérés par un champ électrique puis traversent un tube où il y a absence de champ.

q = charge de l'ion
V = potentiel appliqué


Comme l’énergie cinétique des ions est


m = masse de l'ion
v = vitesse de l'ion

et
Les ions de masse plus faible se déplace plus vite que ceux de masse plus grande.

Le temps t que met l’ion pour parcourir la distance correspondant à la longueur du tube sans champ = L/vL = longueur du tube et