La spectrométrie de masse (MS) est une méthode analytique permettant de déterminer le rapport masse/charge d'un ion. Un spectre de masse, ou un tracé de l'intensité en fonction du rapport masse/charge, permet d'afficher les résultats. La spectrométrie de masse s'applique aussi bien aux mélanges complexes qu'aux échantillons vierges dans de nombreux domaines.
L'illustration du signal ionique en fonction du rapport masse/charge est appelée spectre de masse. Ces spectres permettent de clarifier l'identité chimique ou la structure des molécules et autres composés chimiques, ainsi que d'identifier la signature élémentaire ou isotopique d'un échantillon et les masses des particules et des molécules.
Eugen Goldstein a découvert en 1886 que les rayons des décharges gazeuses à basse pression s'éloignaient de l'anode et traversaient les canaux d'une cathode perforée, dans la direction opposée aux rayons cathodiques chargés négativement. Goldstein appelait ces rayons anodiques chargés positivement « Kanalstrahlen » ; la traduction anglaise traditionnelle est « rayons canalaires ».
Wilhelm Wien a découvert que des champs électriques ou magnétiques puissants déviaient les rayons canalaires et, en 1899, il a construit un système à champs électriques et magnétiques perpendiculaires qui divisait les rayons positifs selon leur rapport charge/masse. Wien a découvert que ce rapport variait selon le type de gaz présent dans le tube à décharge. J. J. Thomson, un scientifique anglais, a ensuite amélioré les travaux de Wien en abaissant la pression et en développant le spectromètre de masse.
Un spectromètre de masse est composé de trois éléments : un détecteur, un analyseur de masse et une source d’ions. Une fraction du matériau est transformée en ions par l’ioniseur. Selon la phase de l’échantillon (solide, liquide ou gazeux) et l’efficacité des différentes méthodes d’ionisation pour les espèces non identifiées, il existe de nombreuses approches d’ionisation. Les ions sont extraits du matériau à l’aide d’un système d’extraction, puis dirigés vers l’analyseur de masse et le détecteur. L’analyseur de masse trie les ions selon leur rapport masse/charge en fonction des différences de masse des fragments. Le détecteur fournit des informations permettant de déterminer l’abondance de chaque ion présent en mesurant la valeur d’une grandeur indicatrice. Certains détecteurs, comme une plaque multicanal, peuvent également fournir des informations spatiales. Si un objet en mouvement est soumis à une force latérale, il se déplacera en courbe, dévié de sa trajectoire initiale. Imaginez que vous vous trouviez sur la trajectoire d’un boulet de canon et que vous souhaitiez le dévier. Il vous suffit d’un jet d’eau pour l’arroser. Franchement, ça ne fera pas une grande différence ! Le boulet de canon étant si lourd, il sera à peine dévié de sa trajectoire. Imaginez que vous essayiez de dévier une balle de tennis de table se déplaçant à la même vitesse avec le même jet d'eau. Cette balle étant si légère, vous subirez une déviation importante.
L'ampleur de la déviation obtenue pour une force latérale donnée dépend de la masse de la balle. Connaissant la vitesse de la balle et l'intensité de la force, vous pourriez calculer sa masse en connaissant la trajectoire courbe qu'elle suit. Avec un spectre de masse complet (plutôt que simplifié), vous remarqueriez une faible ligne à 1 m/z à droite du pic principal de l'ion moléculaire. Ce petit pic est appelé pic M+1. Ce pic M+1 est créé par la présence de l'isotope 13C dans la molécule. Le 13C est un isotope stable du carbone ; ne le mélangez pas avec le 14C, qui est radioactif. Le carbone 13 représente 1,11 % de tous les atomes de carbone. Si vous aviez un composé simple comme le méthane, CH4, environ une molécule sur 100 contiendrait du carbone 13 plutôt que le carbone 12, plus fréquent. Cela indique qu'une molécule sur 100 aura une masse de 17 (13 + 4), plutôt que de 16 (12 + 4). Par conséquent, le spectre de masse comprendra une raie correspondant aux ions moléculaires [13CH4]+ et [12CH4]+. La raie à m/z = 17 sera sensiblement plus petite que celle à m/z = 16, car l'isotope carbone 13 est beaucoup moins présent. Statistiquement, on comptera environ un ion plus lourd pour 99 ions plus légers. C'est pourquoi le pic M+1 est significativement plus petit que le pic M+.
Le nombre d'atomes de carbone dans le composé peut être calculé comme la hauteur du pic M+1 divisée par la hauteur du pic M+. Nous venons de voir qu'un composé à deux carbones présente un pic M+1 dont la hauteur est d'environ 2 % de celle du pic M+. De même, vous pourriez démontrer qu'une molécule à trois carbones présentera un pic M+1 environ 3 % au-dessus du pic M+. Nos estimations ne sont valables que pour deux ou trois carbones. La quantité d'atomes de carbone 13C n'est pas de 1 %, mais de 1,11 %. De plus, l'hypothèse selon laquelle un rapport de 2:98 est d'environ 2 % est invalidée lorsque ce petit nombre augmente.
Lorsqu'un échantillon organique vaporisé pénètre dans la chambre d'ionisation d'un spectromètre de masse, il est attaqué par des électrons. Ces électrons ont suffisamment d'énergie pour arracher un électron à une molécule organique, ce qui donne naissance à un ion positif. Cet ion est appelé ion moléculaire, ou parfois ion parent. L'ion moléculaire est généralement désigné par le symbole M+ ou M.+- ; le point dans la seconde variante indique la présence d'un seul électron non apparié quelque part dans l'ion. Il s'agit de la moitié d'une paire d'électrons d'origine ; l'autre moitié est l'électron éliminé lors du processus d'ionisation. Les ions moléculaires sont énergétiquement instables et certains se fragmentent en particules plus petites. Le cas le plus simple est celui où un ion moléculaire se divise en deux moitiés, l'une étant un ion positif et l'autre un radical libre non chargé.
M.+→X++Y⋅
Il existe plusieurs types de détecteurs pour les spectromètres de masse. Le multiplicateur d'électrons est le détecteur utilisé dans la grande majorité des investigations quotidiennes. Un autre type de détecteur est la plaque photographique recouverte d'une émulsion de bromure d'argent, sensible aux ions énergétiques. Une plaque photographique peut offrir une meilleure résolution qu'un détecteur électronique.
Spectrométrie de masse MALDI-TOF :
La spectrométrie de masse MALDI-TOF est une technologie de spectrométrie de masse populaire. Le MALDI est une technologie d'ionisation douce qui utilise la lumière laser pour produire des ions peu fragmentés. En TOF, les ions protonés sont accélérés par un champ électrique, ce qui produit un ion possédant la même énergie cinétique que les autres ions de même charge. La vitesse de l'ion est déterminée par son rapport masse/charge (m/z), et le temps nécessaire pour atteindre un détecteur est mesuré. La spectrométrie de masse MALDI-TOF permet de détecter une large gamme de biomolécules, telles que les peptides et les glucides.
Spectrométrie de masse triple quadripôle :
Spectromètre de masse combiné, le spectromètre de masse triple quadripôle (également appelé QqQ ou TQMS) utilise ses premier et troisième quadripôles comme filtres de masse et son second comme cellule de collision pour fragmenter les précurseurs/ions parents sélectionnés et produire des fragments/ions filles. Le TQMS est sans doute la spectrométrie de masse en tandem la plus connue et la plus utilisée. Elle offre une variété d'applications à un prix abordable et est relativement simple, facile à utiliser et reproductible. Un spectromètre de masse triple quadripôle permet de déterminer les schémas de fragmentation par élucidation structurale. Le TMPQ est également un excellent outil pour la recherche utilisant des nombres. Pour de nombreuses applications, notamment la recherche clinique, les études environnementales et le développement pharmaceutique, le TQMS est un choix essentiel en raison de sa sensibilité et de sa spécificité supérieures, qui permettent des limites de détection et de quantification plus basses. Spectrométrie de masse à piège quadripolaire :
Le spectromètre de masse à piège quadripolaire est un type de spectromètre de masse hybride triple. Contrairement à la spectrométrie de masse à piège quadripolaire classique, le Q3 présente une sensibilité supérieure lorsqu'il est utilisé comme piège à ions linéaire (LIT) plutôt que comme filtre de masse quadripolaire classique. Cet appareil est toujours capable d'effectuer des fonctions de balayage à piège quadripolaire classique (comme la SRM ou la surveillance sélective des réactions), et peut également être utilisé pour la recherche sur les pièges à ions sensibles.
Spectrométrie de masse Orbitrap à piège ionique linéaire hybride :
Le piège linéaire hybride de l'Orbitrap est un spectromètre de masse tandem combinant un Orbitrap haute résolution à un piège ionique linéaire. Le LIT confine les ions axialement grâce à un potentiel électrique statique sur les électrodes d'extrémité et radialement grâce à une série de tiges quadripolaires. De plus, l'Orbitrap crée des ions en orbite autour du mobile grâce à un analyseur de masse axialement symétrique. La transformée de Fourier permet ensuite d'identifier le courant d'image et de le convertir en spectre de masse. Ce spectromètre de masse hybride trouve de nombreuses applications en protéomique et en métabolomique.
Spectrométrie de masse quadripolaire-Orbitrap :
Dans le spectromètre de masse quadripolaire-Orbitrap, le premier analyseur de masse est un quadripôle, tandis que le second est un Orbitrap haute résolution. Il offre un large éventail d'applications, notamment en protéomique, en métabolomique, en sécurité alimentaire et en toxicité. Creative Proteomics propose une gamme de services utilisant la spectrométrie de masse Quadrupole-Orbitrap, notamment les modèles Q Exactive Hybrid et Q Exactive Plus Hybrid.