Les sources et les analyseurs rencontrés en GC/MS et LC/MS

Les sources d’ions

Pourquoi le vide dans un spectromètre de masse? 1 √2 π n σ 2 Libre parcours moyen: L= n = nbre molécule par cm3 σ = diamètre de collision L P 1 m 6,6 10-8 bars (10-7 atm) Quadripôle, source EI 0,1 mm 6,6 10-4 bars (10-3 atm) Source CI

Le couplage chromato/masse: comment éliminer l’éluant Volume d’éluant à éliminer GC: 1ml/min gaz (1 atm) → 167 l/sec (10-7 atm) HPLC: 1ml/min liquide → 230 000 l/sec (gaz; 10-7 atm) GC → EI , CI HPLC → APCI , ESI

Couplage GC/MS Open split GC MS He Sortie GC 1 atm P source limitée par L et Ø capillaire Échantillon / éluant : 1/100

Impact électronique (GC) Pusher Chambre d’ionisation (10-3 Pa) Entrée échantillon gazeux Faisceau d’électron Anode (décharge des électrons) Filament Lentilles d’extraction et de focalisation Vers l’analyseur

EI: réactions M + e- → M•+ + 2 e- Ionisation Fragmentation Ions instables (<10-8 sec) → détection fragments Ions métastables → non détectés Ions stables (>10-6 sec) → détection ion parent

EI: caractéristiques La plus courante Spectres reproductibles Chimie bien décrite

EI: influence sur l’analyse Radical-cation moléculaire Fragmentation et réarrangements Informations structurales Ion moléculaire de faible intensité Bases de données Généralement <1000 Da

EI : exemple de spectre

Ionisation chimique (GC) Pusher Chambre d’ionisation (10 Pa) Entrée échantillon gazeux + gaz ionisant Faisceau d’électron Anode (décharge des électrons) Filament Lentilles d’extraction et de focalisation Vers l’analyseur

CI: gaz ionisants CH4 + e- → CH4•+ + 2 e- CH4•+ + CH4 → CH3• + CH5+ NH3•+ + NH3 → NH2• + NH4+ M + H+ → MH+ N2O + e- → N2O•- N2O•- + CH4 → N2 + CH3• + OH- MH + OH- → M-

CI: caractéristiques Plus doux (vs EI) Ions positifs ou négatifs Adduits Résultats fonction du gaz ionisant

CI: influence sur l’analyse Ion pseudomoléculaire mieux marqué (vs EI) Spectre plus simple (vs EI) Généralement <1000 Da

CI: exemple de spectre

Comparaison EI/CI EI CI

Couplage LC/MS Analytes peu volatils Suppression de l’éluant Sensibilité

Ionisation chimique à pression atmosphérique (LC) Échantillon + solvant Gaz nébuliseur Chauffage N2 Spray Pusher Vers l’analyseur Décharge Corona 105 Pa 10-3 Pa

APCI: caractéristiques Évaporation du solvant Solvant comme gaz ionisant

APCI: influence sur l’analyse Méthode particulièrement douce Convient aux analytes moins polaires (vs ESI) Généralement <2000 Da

APCI: exemple de spectre

Electrospray (LC) Échantillon + solvant 3 – 6 kV Gouttelette - + - Échantillon + solvant + 3 – 6 kV Gouttelette multichargée N2 Évaporation du solvant + + Explosion coulombique + + Vers l’analyseur Ions

ESI: ions multichargés 824.9 Deux pics successifs: M est accessible par calcul 883.8 intensité 824.9 = M + (n+1) (n+1) 883.8 = M + n n m/z 12 359 intensité M = 12 359 (n = 14) m

ESI: caractéristiques Désorption d’ions préexistants (complémentarité avec APCI) Ions multichargés Pics calculés Background faible (sauf contamination ions alcalins ou bases) Courant ionique faible

ESI: influence sur l’analyse Analytes chargés, basiques ou polaires Difficulté de calcul pour analytes complexes Généralement <200 000 Da

ESI: exemple de spectres Enolase Cyt C

Récapitulatif Neutre Polaire Ionique 101 102 103 104 105 GC/MS APCI ESI

Les analyseurs

Quadripôles

Quadripôles: Principe de séparation X Y r0 -F0 +F0 +F0 -F0 F0 = U + V cos wt DC RF

Quadripôles: balayage U/V m1 m2 m3 m1 < m2 <m3 U

Quadripôles: Avantages et limitations Effet lentille MS2 Balayage (seconde) < 4000 da Résolution = 2000

Ion trap

Ion trap Principe de séparation RF seule (1,1 MHz, 500V) RF + AC superposée (160 kHz, 12V)

Ion trap Principe de séparation

Ion trap Avantages et limitations Limite de détection: attomole Vide faible < 6000 Da Résolution 4000 MSn (temporel)

Analyseurs à temps de vol

TOF principe de séparation Détecteur impulsion z e V = 1 2 m v2 t = d v = d m 2 z e V

TOF Différences de vitesse initiale m/z identique Ec différent - + v1 v1 v2 v1 v2 v2 Détecteur Réflectron

TOF Accélération orthogonale Pusher 0 V + - -- --- Source continue Analyseur pulsé

TOF Avantages et limitations Vitesse (milliseconde) Transmission (analyse vs échantillonnage) < 1 000 000 Da Résolution = 5 000 (avec réflectron: 20 000)

Récapitulatif Limite en masse Résolution (m/z = 1000) Particularité Quadripôles 4000 3000 Scan rapide Ion trap 6000 Vide faible TOF 1 000 000 5000 Pulsé

La fragmentation par CID

Le quadripôle comme chambre de collision V m1 m2 m3 m1 < m2 <m3 U

Conditions de collision Gaz inerte et lourd 10-14 sec Jusqu’à 3 eV (env. 300 kJ/mol) → Fragmentation monomoléculaire

Fragmentation des radicaux-cations Dissociation directe (σ) 57 45 102 Charge sur l’atome le plus ionisable Radical sur l’atome le plus électronégatif

Fragmentation des radicaux-cations Rupture α 87 101 116 → Perte de la chaîne la plus longue

Compétition σ - α Br, Cl < R, π, S, O < N σ α

Réarrangements Mc Lafferty

En règle générale Les radicaux ions se fragmentent En rompant les liaisons les plus faibles De manière à former les fragments les plus stables

Fragmentation des cations Rupture d’une liaison et migration de charge Rupture d’une liaison, cyclisation et migration de la charge Rupture de 2 liaisons et rétention de la charge Rupture de 2 liaisons, réarrangement et rétention de la charge 61 43 157 100

Balayages typiques Q1 Q2 Q3 Observation Q1 Q2 Q3 Balayage TIC Fixe SIM Fragmentation Ions fragments Ions parents Balayage décalé Perte de neutre / SRM