La spectrométrie de masse est l’une des techniques les plus utilisées au laboratoire car elle permet de déterminer la structure d’une molécule. Pour cette technique, l’échantillon doit être une solution pure, contenant seulement une molécule qui sera analysée dans un délai très court. C’est pourquoi les spectromètres de masse font souvent la queue dans une colonne chromatographique (HPLC ou GC). La solution sortant de la colonne est séparée en petits échantillons directement analysés dans le spectromètre de masse.
Le principe est assez simple: nous détruisons la molécule avec un bombardement d’électrons ou de cations et nous détectons ses bits, les ions gazeux.
Le principe est assez simple: nous détruisons la molécule avec un bombardement d’électrons ou de cations et nous détectons ses bits, les ions gazeux.
Les clivages des molécules ne sont pas totalement aléatoires et obéissent à quelques règles. Il en résulte des ions caractéristiques dont la nature peut être directement déterminée. La détection des ions se fait en fonction de leur rapport masse/charge m/z (et donc de leur masse). La masse des ions est l’addition de la masse des atomes qui les composent. Notez que la masse inscrite sur la table de Mendeleev (la masse chimique) n’est pas la masse d’un atome mais l’addition pondérée des masses de ses isotopes. L’utilisation des masses chimiques est pertinente dans le cas de solutions macroscopiques, mais dans le cas de la spectrométrie de masse, nous détectons chaque ion unique de sorte que les masses atomiques doivent être utilisées. Le fait que des isotopes différents d’un seul atome soient dans l’échantillon peut même nous donner des conseils sur la nature de l’espèce ionique. Pour découvrir quelle molécule était dans l’échantillon, nous avons assemblé les fragments. Il y a quelques programmes qui peuvent faire le puzzle par lui-même.
Le spectromètre de masse :
Le principe d’un spectromètre de masse est de dévier ou d’accélérer les ions depuis ou vers un détecteur en fonction de leurs masses. Plusieurs modèles de SEP existent et ce n’est pas le but du cours de les décrire tous mais il est toujours important de comprendre comment fonctionne la SEP. Un spectromètre est toujours composé de quelques compartiments caractéristiques:
a) une chambre d’ionisation
b) un séparateur / analyseur
c) un détecteur
Voici un diagramme d’un spectromètre de masse avec déviation magnétique :
Nous allons décrire brièvement chaque partie.
Échantillonnage
La première étape de l’analyse consiste à ioniser l’échantillon. Cela se fait dans une chambre d’ionisation. Il y a trois façons d’introduire un échantillon dans cette chambre:
- Système d’introduction directe: l’échantillon est placé dans un capillaire placé dans la chambre d’ionisation. Dans cette chambre, la pression est extrêmement faible (≈10-5 torr): on s’attend à ce que le vide évite toute recombinaison entre les ions. La différence de pression transportera l’échantillon là où il sera ionisé. Cette méthode est utilisée pour les échantillons qui ne sont pas volatils.
- système de réservoir: l’échantillon est injecté dans un four à réservoir chauffé à une température donnée. Les échantillons volatils deviennent gazeux et sont transportés vers la chambre d’ionisation par une différence de pression. La pression dans le réservoir est fixée à 10-2 torr contre 10-5 torr dans la chambre.
- par chromatographie: un échantillon gazeux provient directement d’un chromatographe en phase gazeuse (CG). Avant l’introduction dans la chambre d’ionisation, nous séparons le substrat du gaz porteur. La masse de gaz porteur est en général inférieure à la masse du substrat. Nous pouvons utiliser cette différence pour les séparer: un mince tube est devant la sortie du CG. Une pompe est placée perpendiculairement pour pomper le gaz. Comme le gaz porteur est plus léger que le substrat, il est plus dévié et n’atteint pas le tube de sortie. L’échantillon est ainsi purifié.
Ionisation :
Le but de l’ionisation est de former des ions chargés positivement à partir du substrat. Pour ce faire, l’échantillon est bombardé (par des électrons ou par des cations) pour expulser plus d’électrons des molécules
La plage d’énergie typique requise pour l’ionisation est de 8 à 15 eV. Comme nous voulons être sûrs que le substrat est ionisé, nous injectons plus d’énergie que nécessaire (50-70eV). Il est possible d’obtenir une double ionisation. L’excès d’énergie peut briser l’ion en ions plus petits.
Ce processus peut être répété plusieurs fois et à partir d’un substrat, nous pouvons avoir des dizaines de fragments.
Il y a deux méthodes d’ionisation:
- bombardement électronique
Un faisceau d’électrons provient d’un métal chauffé tel qu’un filament de tungstène. Les électrons entrent en collision perpendiculairement avec le substrat pour produire les espèces ionisées qui sont dirigées vers le détecteur par un répulseur. Les molécules neutres (non ionisées ou résultant des clivages subséquents) sont éliminées par une pompe - bombardement chimique
Cette méthode est plus douce que le bombardement électronique. Cela conduit à moins de fragmentation. L’énergie d’ionisation est donnée par la collision avec des cations qui finissent par donner un proton au substrat, augmentant sa masse d’une unité (c’est important pour plus tard).
L’analyseur
La différence entre les différents modèles de spectromètres de masse réside essentiellement dans la méthode de séparation dont ils sont équipés.
Les espèces ionisées ne sont pas directement envoyées au détecteur. Avant cela, ils doivent passer par un analyseur. Son rôle est de savoir s’il faut bloquer certaines espèces avant le détecteur ou les séparer sur leur chemin.
Temps de transist :
les molécules ionisées sont accélérées directement vers le détecteur sans aucune déviation. Le temps entre l’ionisation et la détection est mesuré. Ce temps est caractéristique de la masse de la molécule (t~√M): les petites molécules font la distance dans un temps plus court que les grosses molécules.
Déviation magnétique :
Sur le chemin du détecteur, un aimant électromagnétique est mis en route vers le détecteur, déviant les molécules d’un certain angle en fonction de la masse de la molécule.
L’énergie cinétique Ek des ions est donnée par la répulsion du répulseur et la vitesse v des ions dépend donc de leur masse m et de leur charge z.
L’énergie cinétique Ek des ions est donnée par la répulsion du répulseur et la vitesse v des ions dépend donc de leur masse m et de leur charge z.
V est la différence de potentiel entre les lentilles d’accélération. Pour atteindre le détecteur, les ions traversent l’aimant et sont déviés par son champ magnétique B. Une seule trajectoire mène au détecteur, lorsque la force centrifuge est égale à la force centripète magnétique, c’est-à-dire quand :
On peut ainsi déterminer le rapport m/z des ions qui atteignent le détecteur en fonction du champ magnétique appliqué B:
The same process can be repeated with a second magnets, in the case of double focalisation spectrometers.
Quadrupole
On their way to the detector, the ionised molecules are surrounded by four long parallel electromagnets.
Parallel magnets are set to one given frequency. It allows to control the trajectory of the molecules with one specific mass/charge ratio. Only those species will have a stable path that is parallel to the magnets and reach the detector. The other species are deflected and will eventually collide with one of the magnet where they lose their charge. A range of frequencies is scanned to allow all of the ionised molecules to reach the detector separately.
Ion trap
The principle is similar to the one of the quadrupole except that the ions are maintained in a room between electrodes. They are not moving towards the detector. The ions which are in resonance with the electric field remain trapped. If we increase the tension, the ions of larger mass are stabilised while the trajectory of the lighter ions becomes instable and they hit the electrodes.
Detector
As we detect single ions, the signal has to be magnified several times. It is done by a series of dynodes that increase the signal first obtained on a cathode. The final signal reaches an anode and has been multiplied by 106-7 on its way.
The accuracy of the setup has not to be extremely high and it would actually change almost nothing. The important is that a difference of 1 unit of atomic mass can be detected.