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Temps de lecture estimé : 7min
💡 L'essentiel à retenir :
- La spectrométrie de masse convertit les molécules en ions, puis sépare ces ions selon le rapport m/z pour identifier et quantifier les composés.
- Un quadripôle simple convient au contrôle de routine ; un triple quadripôle quantifie des traces au ng/L en mode MRM.
- L'ionisation électronique à 70 eV fragmente fortement les composés volatils inférieurs à 1 000 Da.
- Les sources ESI et MALDI préservent les ions et permettent d'analyser des biomolécules supérieures à 100 000 Da.
- Un analyseur TOF ou Orbitrap fournit une précision de masse de 1 à 5 ppm pour identifier des inconnus.
Un spectromètre de masse ionise l'échantillon, sépare les ions selon le rapport m/z et mesure leur abondance pour en déduire la masse moléculaire des composés. Cette technique analytique fournit aussi une corrélation entre le spectre obtenu et la structure chimique des molécules. Elle identifie les ruptures de liaison à l'origine des fragments ioniques. Pour choisir un équipement adapté, la sélection d'un spectromètre de masse tient compte de la nature de l'échantillon, de la résolution de l'analyseur et de la sensibilité du détecteur.
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Quel est le principe de la spectrométrie de masse ?
Le spectromètre de masse organise la chaîne d'analyse en cinq étapes :
- introduction de l'échantillon,
- ionisation,
- analyse en masse m/z,
- détection des ions,
- traitement informatique du spectre.
Un système d'introduction place l'échantillon dans la source d'ionisation sous un vide poussé, dont la pression atteint 10â»â´ à 10â»â· Pa. La source d'ionisation produit les ions en phase gazeuse. L'analyseur sépare ensuite ces ions selon le rapport m/z. Le détecteur convertit enfin les ions en signal électrique.
Vaporisation et ionisation de l'échantillon à analyser
La vaporisation transforme les molécules de l'échantillon en phase gazeuse par chauffage ou sous l'effet d'un faisceau d'électrons. L'ionisation confère ensuite une charge électrique à ces molécules neutres. Les méthodes dites dures, comme l'IE à 70 eV, provoquent une forte fragmentation. Les méthodes douces, comme l'ESI, l'APCI ou le MALDI, préservent davantage les ions moléculaires. Le mode positif analyse les ions chargés positivement, tandis que le mode négatif cible les ions chargés négativement.
La fragmentation en spectrométrie de masse correspond à la rupture de certaines liaisons chimiques après l’ionisation d’une molécule. Elle produit des ions fragments dont les rapports masse sur charge (m/z) constituent des indices sur la structure du composé. En ionisation électronique (EI), utilisée notamment en GC-MS, cette fragmentation est souvent importante et reproductible. Les fragments obtenus peuvent être comparés à des bibliothèques de spectres pour faciliter l’identification des substances.
Séparation des ions selon le rapport masse sur charge
L'analyseur sépare les ions produits selon le rapport masse sur charge. Les analyseurs de masse se répartissent en deux familles. Les analyseurs basse résolution, comme le quadripôle, offrent une résolution unitaire. Les analyseurs haute résolution, comme le TOF ou l'Orbitrap, mesurent la masse exacte à quelques ppm.
- Le quadripôle sépare les ions avec une résolution unitaire.
- Le TOF mesure une masse exacte à quelques ppm.
- L'Orbitrap atteint une précision de 1 à 2 ppm.
- La FT-ICR dépasse une résolution de 100 000.
| Analyseur | Résolution typique | Précision de masse | Usage recommandé |
|---|---|---|---|
| Quadripôle simple | Résolution unitaire | Modérée | Quantification ciblée et screening de routine |
| Triple quadripôle | Résolution unitaire | Adaptée au mode MRM | Quantification de traces au ng/L |
| Piège à ions | Faible à moyenne | Modérée | Études structurales par MSn |
| TOF | Élevée | 1 à 5 ppm | Screening large non ciblé et masses élevées |
| Orbitrap | Jusqu'à 100 000 | 1 à 2 ppm | Identification fine en protéomique et métabolomique |
| FT-ICR | Supérieure à 100 000 | 5 à 10 ppm | Identification structurale exigeante |
| Analyseur : Quadripôle simple | |
|---|---|
| Résolution typique | Résolution unitaire |
| Précision de masse | Modérée |
| Usage recommandé | Quantification ciblée et screening de routine |
| Analyseur : Triple quadripôle | |
|---|---|
| Résolution typique | Résolution unitaire |
| Précision de masse | Adaptée au mode MRM |
| Usage recommandé | Quantification de traces au ng/L |
| Analyseur : Piège à ions | |
|---|---|
| Résolution typique | Faible à moyenne |
| Précision de masse | Modérée |
| Usage recommandé | Études structurales par MSn |
| Analyseur : TOF | |
|---|---|
| Résolution typique | Élevée |
| Précision de masse | 1 à 5 ppm |
| Usage recommandé | Screening large non ciblé et masses élevées |
| Analyseur : Orbitrap | |
|---|---|
| Résolution typique | Jusqu'à 100 000 |
| Précision de masse | 1 à 2 ppm |
| Usage recommandé | Identification fine en protéomique et métabolomique |
| Analyseur : FT-ICR | |
|---|---|
| Résolution typique | Supérieure à 100 000 |
| Précision de masse | 5 à 10 ppm |
| Usage recommandé | Identification structurale exigeante |
Détection des ions et interprétation des spectres
Le détecteur convertit les ions en courant électrique. Le multiplicateur d'électrons reste le détecteur le plus courant ; il amplifie les signaux grâce à des électrons secondaires. Le cylindre de Faraday assure une mesure plus précise mais moins sensible. Une galette de microcanaux regroupe plusieurs multiplicateurs pour détecter des flux ioniques intenses. Le système de traitement lit le courant, le convertit en signal numérique et trace le spectre de masse avec l'abondance en ordonnée et le rapport m/z en abscisse.
Déconvolution en spectrométrie de masse
Lorsque plusieurs composés produisent des signaux qui se chevauchent, le logiciel d’analyse peut recourir à une déconvolution en spectrométrie de masse. Ce traitement mathématique aide à distinguer les contributions de différents composés dans des données complexes.
En GC-MS, la déconvolution peut notamment exploiter les profils chromatographiques et les ions caractéristiques pour séparer des spectres de substances partiellement coéluées. En ESI-MS, des traitements spécifiques permettent également de rapprocher les différents états de charge d’une même molécule de sa masse moléculaire neutre.
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Quels sont les mécanismes d’ionisation de la spectrométrie de masse ?
Les sources d'ionisation se classent selon leur dureté et leur pression de fonctionnement. L'ionisation électronique et l'ionisation chimique fonctionnent sous vide et se couplent à la chromatographie en phase gazeuse. L'ESI et l'APCI opèrent à pression atmosphérique et se couplent à la chromatographie en phase liquide. Les sources dures fragmentent fortement les ions, tandis que les sources douces préservent l'ion moléculaire.
| Source | Énergie / fragmentation | Ions typiques | Molécules cibles | Couplage associé |
|---|---|---|---|---|
| EI | Dure, 70 eV, fragmentation importante | Mâºâ€¢ et fragments | Composés volatils thermostables < 1 000 Da | GC-MS |
| CI | Douce, fragmentation réduite | [M+H]+, [M-H]-, adduits | Composés volatils thermostables | GC-MS |
| NCI | Douce négative, capture d'électrons | Ions négatifs | Composés électronégatifs | GC-MS |
| ESI | Douce, peu de fragmentation | [M+nH]n+, multichargés | Composés polaires à ioniques, toutes masses | LC-MS |
| APCI | Douce, ionisation chimique | [M+H]+, [M-H]-, adduits | Composés semi-volatils moins polaires | LC-MS |
| MALDI | Douce, laser UV + matrice | [M+H]+ monochargés | Grosses biomolécules non volatiles | Introduction directe, souvent TOF |
| FAB | Douce, bombardement d'atomes rapides | [M+H]+ | Biomolécules non vaporisables | Introduction directe |
| Source : EI | |
|---|---|
| Énergie / fragmentation | Dure, 70 eV, fragmentation importante |
| Ions typiques | Mâºâ€¢ et fragments |
| Molécules cibles | Composés volatils thermostables < 1 000 Da |
| Couplage associé | GC-MS |
| Source : CI | |
|---|---|
| Énergie / fragmentation | Douce, fragmentation réduite |
| Ions typiques | [M+H]+, [M-H]-, adduits |
| Molécules cibles | Composés volatils thermostables |
| Couplage associé | GC-MS |
| Source : NCI | |
|---|---|
| Énergie / fragmentation | Douce négative, capture d'électrons |
| Ions typiques | Ions négatifs |
| Molécules cibles | Composés électronégatifs |
| Couplage associé | GC-MS |
| Source : ESI | |
|---|---|
| Énergie / fragmentation | Douce, peu de fragmentation |
| Ions typiques | [M+nH]n+, multichargés |
| Molécules cibles | Composés polaires à ioniques, toutes masses |
| Couplage associé | LC-MS |
| Source : APCI | |
|---|---|
| Énergie / fragmentation | Douce, ionisation chimique |
| Ions typiques | [M+H]+, [M-H]-, adduits |
| Molécules cibles | Composés semi-volatils moins polaires |
| Couplage associé | LC-MS |
| Source : MALDI | |
|---|---|
| Énergie / fragmentation | Douce, laser UV + matrice |
| Ions typiques | [M+H]+ monochargés |
| Molécules cibles | Grosses biomolécules non volatiles |
| Couplage associé | Introduction directe, souvent TOF |
| Source : FAB | |
|---|---|
| Énergie / fragmentation | Douce, bombardement d'atomes rapides |
| Ions typiques | [M+H]+ |
| Molécules cibles | Biomolécules non vaporisables |
| Couplage associé | Introduction directe |
Ionisation électronique et ionisation chimique en phase gazeuse
L'ionisation électronique soumet les molécules volatiles à un faisceau d'électrons à 70 eV. Les ions se fragmentent de façon reproductible et permettent une identification par bibliothèques de spectres. Cette méthode s'applique aux composés thermostables de masse inférieure à < 1 000 Da. L'ionisation chimique introduit un gaz réactif comme le méthane, l'isobutane ou l'ammoniac. Elle produit principalement des ions [M+H]+. La variante négative NCI offre une sensibilité 100 à 1 000 fois supérieure pour les composés électronégatifs.
Ionisation par bombardement d’atomes rapides
La technique FAB bombarde l'échantillon avec des atomes rapides d'argon ou de xénon. Elle utilise une matrice liquide non volatile et produit une fragmentation faible. Elle s'adresse aux biomolécules qui ne peuvent pas être vaporisées sous vide sans se dégrader.
Ionisation ESI (électronébulisation) en spectrométrie de masse
La spectrométrie de masse permet d’obtenir des mesures précises de la masse des molécules. Au cœur de ce processus se trouve le spectromètre de masse, un instrument complexe chargé de fragmenter et d’analyser les ions produits à partir d’un échantillon. À travers différentes phases, la spectrométrie de masse offre un aperçu détaillé de la composition moléculaire de la substance étudiée.
La spectrométrie de masse détermine la masse moléculaire d’une substance donnée. Son application s’étend à la corrélation entre le spectre d’un composé et sa structure. Dans certaines mesures, la spectrométrie de masse identifie la source des ruptures de liaison et les éléments responsables de la formation des fragments ioniques.
L'électronébulisation disperse l'échantillon en gouttelettes chargées sous un champ électrique intense. Les gouttelettes s'évaporent et forment des ions multichargés [M+nH]n+. Cette source douce analyse des macromolécules supérieures à 100 000 Da et se combine naturellement avec la LC-MS pour les composés polaires à ioniques.
Désorption laser et ionisation à pression atmosphérique
La désorption laser assistée par matrice, ou MALDI, irradie un mélange matrice-échantillon avec un laser UV pulsé. Elle génère principalement des ions monochargés [M+H]+. Cette source analyse les grosses biomolécules non volatiles et alimente les applications d'imagerie. L'ionisation chimique à pression atmosphérique, ou APCI, forme des ions [M+H]+ ou [M-H]-. Elle convient aux composés semi-volatils moins polaires et complète l'ESI en LC-MS.
Dans quels contextes utiliser la spectrométrie de masse ?
La spectrométrie de masse se couple à une séparation chromatographique pour fiabiliser l'identification. Le GC-MS analyse les composés volatils et thermostables comme les solvants résiduels ou les arômes. Le LC-MS/MS quantifie les pesticides, les nitrosamines et les PFAS au ng/L. L'électrophorèse capillaire couplée à la MS traite les analytes ionisés en milieu liquide. Ces couplages apportent un temps de rétention complémentaire au rapport m/z.
Études biologiques et chimiques
En biologie, la spectrométrie de masse identifie les lipides et les acides nucléiques. Le mode MS/MS ou spectrométrie de masse tandem détermine la structure des protéines et localise les modifications post-traductionnelles. En chimie, la spectrométrie de masse intervient dans l’identification des substances, l’étude de mélanges complexes et la caractérisation des matériaux. Pour l’analyse de la composition chimique de plastiques, de caoutchoucs ou de certains microplastiques, le couplage pyrolyse–chromatographie en phase gazeuse–spectrométrie de masse (Py-GC/MS) constitue une solution adaptée. Il fournit des informations sur les constituants du matériau à partir des produits formés lors de sa dégradation thermique.
Pour les laboratoires déjà équipés d’un GC-MS, l’ajout d’un pyrolyseur compatible peut permettre d’étendre les analyses aux polymères et aux matériaux solides sans remplacer l’ensemble de la plateforme analytique. Le choix dépend notamment de la marque et du modèle du GC-MS, de l’interface disponible et des échantillons à caractériser.
En médecine et pharmacologie
En médecine, la spectrométrie de masse assure la surveillance thérapeutique de médicaments comme les immunosuppresseurs. Le dépistage néonatal l'utilise pour détecter la phénylcétonurie. En pharmacologie, elle étudie la pharmacocinétique et les interactions médicamenteuses. Les analyses toxicologiques et pharmacodynamiques identifient et quantifient des substances actives ou des métabolites.
Comment choisir un spectromètre de masse selon son usage ?
Le choix de l'analyseur dépend de l'objectif analytique. Un quadripôle simple convient au screening de routine sur des matrices propres. Un triple quadripôle réalise une quantification ciblée en mode MRM au ng/L. Un Q-TOF ou un Orbitrap identifie des molécules inconnues avec une précision de 1 à 5 ppm. Pour un quadripôle de paillasse, le coût d'un spectromètre de masse s'échelonne de 30 000 à 60 000 €. Un triple quadripôle mobilise généralement 150 000 à 300 000 €. Un système haute résolution dépasse souvent 300 000 €.
FAQ : spectrométrie de masse et choix d'équipement
Quelle différence entre un quadripôle et un analyseur à temps de vol ?
Le quadripôle offre une résolution unitaire et convient à la quantification ciblée en routine. Le TOF mesure une masse exacte à quelques ppm et convient au screening large non ciblé.
Quelle source d'ionisation choisir pour une molécule thermosensible ?
Il faut privilégier une source douce comme l'ESI ou le MALDI. L'ESI en spectrométrie de masse convient aux composés polaires ; le MALDI analyse les macromolécules non volatiles. L'ionisation électronique à 70 eV fragmente fortement et ne convient pas.
Quel budget prévoir pour un spectromètre de masse de laboratoire ?
Un quadripôle simple de paillasse se situe entre 30 000 et 60 000 €. Un triple quadripôle mobilise entre 150 000 et 300 000 €. Un Q-TOF ou un Orbitrap dépasse généralement 300 000 €.
La spectrométrie de masse détecte-t-elle des traces de l'ordre du ng/L ?
Oui, les couplages LC-MS/MS et GC-MS/MS quantifient couramment des résidus au ng/L. Selon l'instrument et l'analyte, la détection peut descendre jusqu'au picogramme voire au femtogramme.
