SPECTROMÉTRIE DE MASSE

SPECTROMÉTRIE DE MASSE

Le spectromètre de masse est un appareil qui, sous vide élevé, fait correspondre à chacune des masses des éléments d’un corps (atomes, molécules, fraction ou association de molécules, radicaux, etc.), après ionisation, une indication chiffrée renseignant sur la présence et les quantités relatives des éléments constitutifs de ce corps. L’ensemble normé des abondances des fragments, que l’on ordonne par masses croissantes, constitue le spectre de masse: voir, par exemple, le spectre d’un octapeptide perméthylé à la figure 4 de l’article analyse SPECTROCHIMIQUE. Les mesures sont qualitatives, car le spectre constitue une empreinte digitale plus ou moins caractéristique, selon l’échantillon, de sa structure moléculaire, et quantitatives, puisque l’amplitude du signal pour un fragment quelconque est directement proportionnelle à la masse de produit déposé dans l’appareil. Les banques de spectres renferment plus de 120 000 produits, organiques pour la plupart. Les moyens informatiques permettent de comparer le spectre d’un échantillon a priori inconnu avec ceux de la banque et d’en déduire en quelques minutes son identité ainsi que la quantité présente.

La méthode s’applique presque à tous les gaz et à tous les liquides. Les solides, dont la masse molaire est inférieure à 1 000 daltons (cette unité est égale à la masse molaire du proton; pour obtenir la masse réelle d’une particule, on divise sa masse en daltons par le nombre d’Avogadro N = 6,023 憐 10^-23), peuvent en général être analysés directement, mais ce n’est parfois qu’après préparation d’un dérivé vaporisable sous vide. Ceux dont la masse est comprise entre 1 000 et 4 000 daltons le sont éventuellement grâce à des méthodes d’ionisation particulières.

Un spectromètre de masse comporte essentiellement: un système d’introduction de l’échantillon étudié; une source où l’échantillon est ionisé (la pression, de 1,33 憐 10^-2 à 0,133 憐 10^-2 pascals, y étant plus élevée que dans le reste de l’appareil, où elle est de 1,33 憐 10^-5 à 0,133 憐 10^-5 pascals; les ions formés dans la source en sortent, après accélération, à travers une fente et sont envoyés dans l’analyseur); l’analyseur qui sépare les masses soit en leur attribuant des trajectoires spatialement distinctes, soit en leur attribuant sur une même trajectoire des lois de mouvement différentes; enfin un collecteur qui reçoit les ions d’une même masse et en mesure la quantité (fig. 1). La quantité minimale d’échantillon nécessaire pour obtenir un spectre est infime, de l’ordre de 10^-9 kg. Les ions séparés ne sont jamais collectés à des fins préparatives, mais convertis le plus souvent en un signal électrique qui sert à la mesure. Les seules exceptions notables ont été les tentatives, dans le cadre du projet Manhattan, au cours de la Seconde Guerre mondiale, de séparer et de collecter par spectrométrie de masse du fluorure d’uranium U⁶ les isotopes 235 et 238 de l’uranium, tentatives rapidement abandonnées pour des méthodes à meilleur rendement.

Les performances remarquables de la spectrométrie de masse justifient son usage général pour l’analyse de substances inconnues, la mesure quantitative des constituants de mélanges complexes, l’étude de nombreux paramètres physico-chimiques.

Historique

La spectrométrie de masse, apparue au début de ce siècle, a été rendue possible par la découverte faite par Eugen Goldstein des rayons «canaux» (rayons obtenus au-delà d’une anode percée de trous, au cours d’une décharge électrique dans un gaz sous faible pression) et grâce aux expériences de Wilhelm Wien qui, vers 1900, en faisant dévier ces rayons par des champs électriques et magnétiques croisés, a montré qu’ils étaient formés de particules chargées positivement, mais de masse plus élevée que celle de l’électron.

La paternité de la technique revient à Joseph John Thomson qui vers 1910 à Cambridge, par action simultanée d’un champ électrique et d’un champ magnétique superposés, réalise la séparation des masses d’ions formés en phase gazeuse et montre l’existence des isotopes 20 et 22 du néon.

En 1917, au laboratoire anglais de Cavendish, Francis William Aston, qui fut l’assistant de Thomson, perfectionne l’appareillage. Il détermine complètement la nature et les abondances des isotopes du néon. Il prouve l’existence de nombreux autres isotopes de divers éléments et met en évidence les écarts des masses atomiques aux entiers, dont l’importance est considérable en physique nucléaire. En 1919, il donne le nom de «spectromètre de masse» à son dispositif expérimental où les ions traversent successivement le champ électrique d’un condensateur cylindrique plan et un champ magnétique à limites circulaires, montage qui focalise les énergies.

De son côté, A. J. Dempster construit aux États-Unis un appareil focalisant les angles grâce à un champ magnétique limité à un secteur de 180⁰ et, en 1920, avec une source d’ions à sels minéraux chauffés (source solide thermo-ionique), il découvre les isotopes du magnésium.

Vers 1930, K. T. Bainbridge ajoute au dispositif de Dempster un filtre de vitesse de Wien et propose ensuite la disposition dite de double focalisation, à laquelle sont aussi attachés les noms de E. B. Jordan, J. Mattauch, L. F. Herzog.

C’est autour de 1940 que A. O. Nier perfectionne la source dite à impact électronique dans laquelle l’ionisation de l’échantillon est obtenue par l’interaction d’un faisceau d’électrons émis d’un filament chauffé et accélérés à quelques dizaines d’électronvolts (eV) selon un montage qui n’a plus guère évolué depuis lors et se retrouve donc dans tous les spectromètres de masse.

Outil réservé à la physique corpusculaire, l’appareil, à partir du milieu des années 1940, entre dans le domaine de la chimie organique. L’industrie pétrolière s’y intéresse la première pour l’analyse des hydrocarbures, et elle suscite la fondation de sociétés d’instrumentation pour la production en série d’appareils performants. Le hasard a voulu que les hydrocarbures constituent une classe de produits peu propices à l’élucidation des structures moléculaires, mais les appareils construits trouvent rapidement d’autres débouchés, notamment en chimie organique. Les notions fondamentales de mécanismes réactionnels que l’on vient d’y introduire permettent à H. Budzikiewicz, C. Djerassi et D. H. Williams de rationaliser au cours des années 1960 certains des procédés généraux de fragmentation des ions en phase gazeuse, facilitant ainsi l’enseignement universitaire des règles d’interprétation des spectres, codifiées vers 1970 par F. W. McLafferty.

La période contemporaine est marquée d’une part par l’introduction de la micro-informatique pour piloter les paramètres de réglage des optiques ioniques et dépouiller les résultats des expériences; et, d’autre part, par l’apparition d’appareils à analyseurs multiples à 3, 4 voire 5 champs, de principes divers: magnétique, électrique, quadripolaire, etc., en utilisant les possibilités spécifiques à chaque principe. Depuis 1980, les recherches fructueuses pour l’analyse de substances de haute masse moléculaire polaires et thermosensibles ont été rapidement adaptées aux appareils commerciaux.

Appareillage

Les spectromètres de masse sont la plupart du temps munis des mêmes systèmes d’introduction, des mêmes types de sources et des mêmes collecteurs: ils diffèrent surtout par leur analyseur. L’ensemble est enfermé dans une enceinte maintenue sous vide par un ou plusieurs groupes de pompage, composé chacun du montage en série classique d’une pompe à diffusion d’huile ou d’une pompe turbomoléculaire (production de vide secondaire), et d’une pompe mécanique (production de vide primaire).

Systèmes d’introduction

On introduit les gaz et les liquides volatils par l’intermédiaire d’un récipient chauffé et muni d’une fuite moléculaire, dispositif qui délivre régulièrement à la source une petite partie de l’échantillon contenu dans le réservoir. Les échantillons solides sont déposés à l’extrémité d’une canne que l’on pousse directement jusque dans la source à travers un sas d’étanchéité. Des dispositifs chromatographiques, réalisant une séparation temporelle des mélanges complexes en constituants purs, peuvent être couplés à la source par des interfaces. Le couplage de la chromatographie en phase gazeuse et de la spectrométrie de masse est connu depuis les années 1960 et ne pose plus de problème technologique particulier. Les couplages des chromatographies en phase liquide ou supercritique vont encore évoluer.

Les sources d’ions

La fragmentation d’un échantillon intervient dans la source de l’appareil au cours de l’étape dite d’ionisation, qui transforme la substance neutre en espèces chargées, positives ou négatives, sous l’action d’un processus physique: impact d’un faisceau d’électrons, d’ions, de photons, décharge continue ou haute fréquence, etc., qui a pour effet de former des espèces ioniques de haute énergie interne et de provoquer la rupture de leurs liaisons les plus fragiles. Le degré de fragmentation dépend de la quantité d’énergie transférée à l’ion au cours de sa production et aussi du temps de résidence des ions dans la source avant leur analyse. Selon la méthode employée, on obtiendra un spectre simple, avec parfois un seul ion – et l’on préfère obtenir celui qui est le plus proche de la structure de la molécule intacte –, ou au contraire très complexe, avec beaucoup de fragments – et l’on reconstruira à la manière d’un puzzle la structure moléculaire initiale.

Au montage classique de Nier utilisant l’impact électronique (I.E.), méthode générale mais souvent très «cassante», sont venus s’ajouter d’autres moyens plus «doux», notamment ceux qui utilisent des réactions ions-molécules entre les ions d’un plasma préparé par l’opérateur et les molécules de l’échantillon étudié, au premier rang desquels se place l’ionisation chimique (I.C.), due aux Américains Frank Field et Barnaby Munson vers 1965.

Pour les échantillons non vaporisables sous vide, on utilise des montages où l’échantillon solide est directement bombardé par des atomes ou par des ions accélérés sous plusieurs kilovolts, comme dans la méthode du Fast Atom Bombardment (F.A.B.) ou celle de l’émission ionique secondaire (S.I.M.S.); l’échantillon peut encore être bombardé par les photons d’un laser, ou par les produits de décomposition d’un radioélément, notamment l’isotope 252 du californium. L’état de la surface sur laquelle est déposé l’échantillon est souvent déterminant pour le rendement en ions désorbés et il nécessite une préparation spéciale: addition d’une matrice liquide en F.A.B., support en métal précieux pour le S.I.M.S.

Des sources particulières sont plus spécifiquement adaptées aux éléments et aux substances métalliques, notamment les dispositifs à étincelles en courant alternatif haute tension (50 kV), à thermo-ionisation, qui utilisent des filaments chauffés vers 2 000-3 000 ⁰C, ou les dispositifs à décharge dans un gaz, par exemple le montage à un plasma induit par une source micro-onde (I.C.P.M.S., ou Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry).

Les analyseurs

Les analyseurs sont dits statiques lorsqu’ils n’autorisent qu’une seule trajectoire pour l’ion en focalisation; ils sont dits dynamiques lorsque des ions de même rapport m/z sont collectés après avoir suivi des trajectoires pouvant différer les unes des autres. À la première catégorie appartiennent les analyseurs magnétiques et électriques; à la seconde, les analyseurs à temps de vol, les quadripôles, les quistors et les cyclotrons. L’unité de masse atomique (uma), qui est égale à un douzième de la masse atomique de ¹²C tend à être remplacée par le dalton (la masse du proton).

Secteurs magnétiques (voir le schéma de principe, en a). On suppose le champ magnétique idéalement limité à un secteur d’angle au centre 見, et le vecteur induction magnétique B perpendiculaire au plan de la trajectoire. Les ions ont une masse m et un nombre z de charges électriques élémentaires e . Ce secteur se comporte à la fois comme un prisme (déviation de la trajectoire dépendant du rapport m/z ) et comme une lentille (focalisation en angle): tous les ions de même rapport m/z mais de directions différentes issus de la fente-source de largeur f^s repassent à travers une fente-image que l’on matérialise par une fente de largeur f^c , la fente collectrice. Si v est la vitesse de l’ion entrant dans l’aimant, on montre que la particule parcourt une trajectoire circulaire de rayon r satisfaisant la relation:

La vitesse v est celle que prennent les ions à la sortie de la source d’ions sous la chute de tension V, telle que:

d’où l’on tire:

Entre la masse M exprimée en unités de masse atomique (uma, m fois le nombre d’Avogadro), la tension d’accélération des ions V en volts, B en teslas, r en mètres et z le nombre entier de charges portées par l’ion, on a la relation:

qui par différenciation donne:

On fait défiler les masses par la fente collectrice fixe, qui impose la valeur r , en faisant varier B pour une même valeur de V: on dit que l’on effectue un balayage des masses. Le pouvoir de résolution mesure la possibilité qu’a l’appareil de séparer deux masses voisines; il s’exprime par le rapport:

où M est la largeur de l’un ou l’autre pic pris à n p. 100 de son amplitude maximale; sa valeur dépend du choix que l’on a fait par convention de n ; 5 p. 100 le plus souvent, mais certains choisissent parfois jusqu’à 50 p. 100. Dans le cas d’un secteur magnétique, on a sensiblement:

La relation (5) montre également qu’un pouvoir de résolution élevé nécessite des champs magnétiques et électriques très stables, d’écarts relatifs voisins de 10^-5. La relation (7) montre que la résolution est d’autant plus élevée que le rayon de l’aimant est plus large. Les valeurs usuelles sont: 見 de 30⁰ à 180⁰, V de 100 à 10 000 volts, B de 0,1 à 1 tesla, r de 0,3 à 1 m, R de 100 à 200 000.

Double focalisation . Les ions de même masse issus d’une source sont rarement monocinétiques, les écarts allant de l’ordre de 1 eV dans une source d’ionisation électronique ou d’ionisation chimique à quelques dizaines d’eV dans une source thermo-ionique, voire quelques centaines d’eV dans une source à décharge électrique. La relation (1) indique qu’il y aura alors dispersion du faisceau et donc diminution de la résolution. Pour pallier cet inconvénient, un deuxième secteur est ajouté dans les dispositifs pour les mesures à haute résolution, afin de filtrer les vitesses avant la traversée de l’aimant, selon le montage traditionnel, quoique l’ordre d’entrée dans les secteurs soit en réalité indifférent.

Secteur électrique . Un secteur électrique est constitué d’un condensateur cylindrique limité à un secteur d’angle 廓, généralement compris entre 30⁰ et 90⁰, de rayon moyen r^e . Les deux plaques sont écartées d’une distance d et portées à une différence de potentiel statique V^e . Le secteur se comporte à la fois comme un prisme (déviation de la trajectoire selon l’énergie cinétique des ions) et comme une lentille (focalisation en angle), de telle sorte que tous les ions de même énergie cinétique, quelle que soit leur masse, issus d’une fente à l’entrée du secteur, passent par une fente-image, selon la relation:

Le secteur est réglé en fonction de la tension d’accélération des ions à la sortie de la source de façon que:

qui est un rapport constant pour un secteur donné. Un secteur électrique ainsi disposé ne saurait constituer un analyseur de masse, mais uniquement un filtre de vitesse. Dans certains montages, toutefois, le secteur électrique sert à filtrer les ions résultant de la dissociation d’un ion précurseur métastable d’énergie cinétique donnée; les fragments conservant cette énergie, le secteur les sépare selon leurs masses.

Analyseur à temps de vol (schéma, b). Un paquet d’ions est extrait de la source pendant un laps de temps de quelques microsecondes, puis accéléré sous quelques kilovolts et enfin envoyé dans un tube de dérive libre de champ électrique; l’opération peut être répétée 10 000 fois par seconde. L’énergie cinétique de tous les ions étant la même, les plus légers auront la plus grande vitesse et arriveront les premiers à l’autre extrémité du tube où se trouve le système de détection. L’analyse temporelle devient une analyse de masse. La résolution, jadis de 200 à 300, peut atteindre 5 000 dans des montages à deux tubes de dérive avec un miroir de réflexion au milieu. L’intérêt majeur de ce type d’analyseur est la grande fréquence de répétition qui permet l’étude de phénomènes rapidement évolutifs (radicaux libres, états métastables, désorption d’ions sous impact laser, spectrométrie au ²⁵²Cf).

Omégatron, cyclotron, F.T.M.S. (Fourier Transform Mass Spectrometry). Dans un secteur magnétique, les ions parcourent un arc de cercle entre les pôles de l’aimant. Si B est suffisamment élevé, de l’ordre de quelques teslas, l’ion décrit alors une orbite circulaire complète, dite cyclotronique, à une fréquence f indépendante de la vitesse de l’ion, telle que:

pour des ions de charge unitaire, avec B en teslas, M en uma et f en hertz, il existe la relation:

On augmente le rayon de l’orbite en disposant orthogonalement à B un faible champ électrique alternatif. Il y a résonance lorsque la fréquence du signal électrique égale la fréquence cyclotronique de l’ion dont le rayon de giration augmente rapidement. L’ion décrit une spirale, alors que les mouvements des autres ions de rapport m/z différents sont peu perturbés. L’enceinte de forme cubique, placée dans les champs électrique et magnétique croisés, sert à la fois de source, d’analyseur et de détecteur.

Les inconvénients majeurs sont un coût très élevé, en raison de l’obligation d’employer un aimant supra-conducteur de plusieurs teslas en plus d’une informatique puissante, et la nécessité d’un vide poussé, autour de 10^-8 pascal (Pa) afin que les trajectoires des ions ne soient pas perturbées par des collisions avec des particules neutres dans l’enceinte, ce qui rend les manipulations d’échantillons, les opérations d’entretien de l’appareil et les couplages avec les dispositifs chromatographiques plus délicats qu’avec d’autres types d’analyseurs. C’est en revanche un outil de recherche incomparable pour l’étude des phénomènes physico-chimiques des ions en phase gazeuse.

Quadripôles et quistors (schéma, c). Le quadripôle est constitué d’un système de quatre barres conductrices de section hyperbolique, ou encore cylindrique par souci de simplification d’usinage. Deux barres opposées sont portées au potentiel U+V, U étant une tension continue, et V une tension alternative de fréquence fixe comprise entre 2 et 6 mégahertz, l’autre couple de barres étant au potentiel opposé 漣 (U+V). Un faisceau d’ions est injecté à l’entrée des barres. Le rapport des amplitudes U/V fixe l’intervalle des masses 蓮M, et l’amplitude de V détermine la masse nominale M des ions qui ont des trajectoires stables, c’est-à-dire qui traversent le dispositif sans rencontrer les parois. Tous les autres suivent des trajectoires dites instables et sont collectés par les barres. Le balayage des masses s’effectue en faisant varier V tout en maintenant le rapport U/V constant. La masse focalisée est donnée par la relation:

dans laquelle f est la fréquence et V l’amplitude de la tension alternative, r le rayon du volume cylindrique inscrit à l’intérieur des barres. Le rapport U/V doit être de 0,167 pour atteindre la résolution optimale. Une valeur différente élargit la bande des masses transmises.

Il s’agit d’un véritable filtre de masse dans la mesure où la vitesse des ions à l’entrée du secteur quadripolaire, contrairement aux secteurs magnétiques et électriques, n’a pas de conséquence sur la sélection de l’analyseur. Elle joue toutefois un rôle quant à la résolution, et doit pour cela être faible, ce qui limite l’analyse à des ions d’environ 5 eV d’énergie cinétique.

Le quistor, mot venant de quadripole ion storage device , ou piège à ion, est de principe similaire, sauf que les électrodes constituent un volume fermé par des parois hyperboliques.

Jadis réservé aux appareillages simples, peu coûteux et de faible encombrement, de résolution et de gamme de masse inférieures à 100, l’usage des quadripôles et des quistors se bornait à l’analyse des gaz permanents et à des expériences particulières (ils ont été embarqués dans des ballons ou des fusées pour la détermination de constituants gazeux de l’atmosphère terrestre ou d’autres espaces planétaires). Les améliorations obtenues au cours des dernières années leur ont permis d’atteindre des résolutions et des plages d’analyse atteignant 3 000 pour certains quadripôles. Fonctionnant même à pression totale élevée de 10^-2 Pa, ils se prêtent bien aux couplages avec les appareils chromatographiques.

Collecteurs

Les plaques photographiques sont rarement employées pour l’analyse organique, mais restent encore en usage dans les spectromètres à étincelles pour l’analyse minérale. Dans pratiquement tous les autres cas, un multiplicateur assure la conversion de l’ion incident, positif ou négatif, en électrons et une multiplication du courant ionique par un facteur atteignant 10⁸. La conversion est toutefois discriminatoire en fonction des masses des ions collectés. Le signal en sortie est amplifié et conditionné par une chaîne de mesure pilotée par un ordinateur qui, en outre, gère les opérations de calibration de l’analyseur, de présentation des résultats et de recherche en bibliothèque.

Applications

Les appareils de résolution supérieure à 5 000 servent à déterminer les masses exactes d’éléments et de combinaisons d’éléments avec grande précision, ainsi, dans l’échelle des uma,

Les rapports d’abondances isotopiques, par exemple ¹²C¹³C, ¹⁶¹⁸O, ²³⁵U²³⁸U, etc., mesurés à quelques pour-mille près, permettent de suivre la marche d’un séparateur d’isotopes (diffusion gazeuse de UF⁶), de dater un minéral, voire de déterminer la température de formation d’un fossile.

L’interprétation du spectre de masse d’une substance permet parfois de l’identifier complètement. La recherche ciblée d’un constituant d’un mélange complexe en mesurant l’abondance d’un ion qui lui soit caractéristique permet de déceler des quantités de l’ordre de 10^-15 g.

Le couplage chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse a des domaines d’application innombrables; citons par exemple la détermination de la composition d’essences naturelles, d’arômes, de fractions pétrolières; il permet de suivre l’évolution de procédés industriels, de rechercher dans les fluides biologiques les métabolites d’un médicament, de suivre l’évolution d’une grossesse, d’une maladie, d’un traitement médical par la détermination de certaines molécules caractéristiques, ou encore de déceler des fraudes (vins frelatés, dopages de chevaux de course), d’évaluer les conséquences écologiques d’accidents industriels (recherche des hydrocarbures dans l’air, l’eau), etc.

En physico-chimie fondamentale, la méthode permet d’accéder à de nombreux paramètres atomiques et moléculaires, notamment: les énergies d’ionisation des substances neutres, celles des liaisons entre atomes ou éléments d’une molécule, les acidités et les basicités d’ions en phase gazeuse, etc.

● Spectrométrie de masse méthode d'analyse utilisant le spectromètre de masse.

Encyclopédie Universelle. 2012.