Massespektrometri

Den massespektrometri er en fysisk teknikk for analyse for påvisning og identifisering av molekyler av interesse ved måling av deres masse og for å karakterisere deres kjemiske struktur . Prinsippet ligger i gassfaseseparasjonen av ladede molekyler ( ioner ) i henhold til deres masse / ladningsforhold ( m / z ). Det brukes i praktisk talt alle vitenskapelige felt: fysikk , astrofysikk , kjemifasefase , organisk kjemi , analyse, biologi , medisin ... deteksjonstiden er veldig rask.

Struktur av et massespektrometer

Den masse spektrometer , opprinnelig utviklet av det britiske Joseph John Thomson , omfatter en ionisering kilde , etterfulgt av en eller flere analysatorer som skiller de ioner som frembringes i henhold til deres m / z -forhold , en detektor som teller ioner og forsterker signalet, og til slutt en datasystem for å behandle signalet. Det oppnådde resultatet er et massespektrum som representerer m / z- forholdene , hvor m representerer massen og z valensen (eller m / q, q som representerer ladningen) av ionene oppdaget langs x-aksen og den relative overflod av disse ionene langs y-aksen.

Massespektrometeret består derfor av fire deler:

• Prøven innledning system: prøven kan innføres direkte i kilden, i gassformet, flytende (direkte infusjon) eller fast (direkte innføring stang, avsetning på MALDI plate, etc.) eller ved forbindelse med en separasjonsmetode ( væske -kromatografi , gass kromatografi , kapillærelektroforese , etc.).
• Kilden til ionisering: den består i å fordampe molekylene og ionisere dem. En ioniseringskilde kan brukes enten i positiv modus for å studere positive ioner, eller i negativ modus for å studere negative ioner. Flere typer kilder eksisterer og brukes avhengig av ønsket resultat og molekylene som er analysert.
  • Elektronisk ionisering (EI), kjemisk ionisering (CI) og kjemisk desorpsjon-ionisering (DCI)
  • Bombardement av raske atomer (FAB), metastabile atomer (MAB) eller ioner ( SIMS , LSIMS)
  • Induktiv plasmakobling ( ICP )
  • Den kjemiske atmosfærisk trykk ionisering (APCI) og det bilde-atmosfærisk trykk ionisering (APPI)
  • Den elektrospray eller elektrospray (ESI)
  • Den desorpsjon ionisering matriks-assistert laser (MALDI), aktivert av en overflate (SELDI) eller silisium (DIOS)
  • Ionisering-desorpsjon ved interaksjon med metastabile arter (DART)
  • Den Desorpsjonen-ionisering på silisium (DIOS)
• Analysatoren: den skiller ionene etter deres masse / ladningsforhold ( m / z ). Det er analysatorer med lav oppløsning: kvadrupolen eller kvadrupolen (Q), 3D (IT) eller lineær (LIT) ionefelle, og høyoppløsningsanalysatorer, som gjør det mulig å måle den nøyaktige massen til analyttene: den magnetiske sektoren er koblet til en kraftsektor, flytid ( TOF ), Fourier transform ion cyclotron resonance (FTICR) og Orbitrap. Disse analysatorene kan kobles sammen for å utføre tandem massespektrometri (MS / MS) eksperimenter. Vanligvis skiller en første analysator ionene, en kollisjonscelle lar ionene fragmentere, og en andre analysator skiller fragmentionene. Noen analysatorer, for eksempel ionefeller eller FT-ICR, kombinerer flere analysatorer i en og lar ioner fragmenteres og fragmentene analyseres direkte.
• Detektoren og behandlingssystemet: detektoren forvandler ionene til et elektrisk signal. Jo flere ioner det er, jo større er strømmen. I tillegg forsterker detektoren signalet som oppnås, slik at det kan behandles av datamaskinen.

bruk

• Identifikasjon:
  • følgende (type ionisering brukt); et massespektrum kan være karakteristisk for et molekyl. Dermed ved å sammenligne det med innholdet i spektrumbanker, er det mulig å identifisere molekylet.
  • Når du bruker en høyoppløselig analysator (TOF, magnetisk sektor, FTICR, Orbitrap), gjør massespektrometri det mulig å måle den mono-isotopiske massen til et ion nøyaktig og å trekke sin bruttoformel fra den .
• Struktur analyse:
  • Pariteten til den målte massen er en funksjon av pariteten til antall nitrogenatomer som et molekyl har ( nitrogenregel ).
  • Hvert atom har per definisjon en eller flere isotoper som har forskjellige masser. Andelen av hver isotop som observeres i et massespektrum, det vil si den isotopiske massen, er således karakteristisk for tilstedeværelsen av visse atomer og for deres antall i det målte ionet (spesielt elementene Cl og Br , som viser M og M + 2 isotoper i betydelige mengder).
  • Ioner kan fragmenteres i et massespektrometer: i ioniseringskilden, i analysatoren eller i en kollisjonscelle. Da fragmenteringene respekterer kjemiske lover i gassfasen , gjør studiet av disse fragmentene det mulig å bestemme strukturen til ionene.
• Kvantifisering:
  • Et massespektrometer er en universell og veldig følsom detektor. Dens lineære område går fra 3 til 7 størrelsesordener, derav muligheten for å oppnå pålitelig kvantifisering over et bredt spekter.
• Bildebehandling:
  • Punkt-for-punkt-analyse av en overflate ved massespektrometri med tilstrekkelig ionisering (MALDI, SIMS, DESI) gjør det mulig å generere ioniske bilder, som representerer fordelingen av hvert ion som følge av denne overflaten. Denne avbildningsteknikken er mye brukt for å søke etter biomarkører (identifisering i en del av vev av forbindelser som er spesifikke for en definert region).

Ioniseringskilden

EI- og CI-ioniseringene, som krever et visst nivå av vakuum, brukes fortrinnsvis i forbindelse med gasskromatografi (CI-en opererer fra en EI-kilde). På den annen side brukes de to kildene ved atmosfærisk trykk (elektrospray og APCI) kalt “myk ionisering” hovedsakelig i forbindelse med væskefasekromatografi.

Elektronisk ionisering (EI)

Elektroner som sendes ut av et filament, møter molekylene som kommer inn i kilden: Hvis elektronenes kinetiske energi er tilstrekkelig under møtet, blir et elektron revet fra M- molekylet og transformert det til et radikalion M + o . Dette kan deretter fragmenteres i henhold til dens interne energi. IS fører dermed til et ganske omfattende spektrum, med mange fragmenter, veldig rik på strukturell informasjon.

Kjemisk ionisering (CI)

I tillegg til ovennevnte EI-enhet, blir en reaktiv gass introdusert i kilden og ionisert ved elektronisk støt. En serie reaksjoner følger som gir opphav til ioner som kan reagere med analytmolekylene som kommer til kilden. Denne typen ion-molekylreaksjon produserer hovedsakelig (i positiv modus) [MH] + og [M + addukt + H] + ioner , og gir dermed tilgang til molekylmassen til analytten.
Den metan , den isobutan og ammoniakk er blant de mest brukte kjemisk ionisering gass.

For påvisning av globalt elektronegative molekyler som inneholder halogenerte deler, kan negativ kjemisk ionisering brukes. Prinsippet er å lade disse molekylene negativt ved å bombardere dem med elektroner som vil bli fanget opp av elektronuttrekkende atomer. På grunn av den høye sannsynligheten for elektronfangst kan denne typen ionisering være 1000 ganger mer følsom enn positiv kjemisk ionisering.

Rask atom bombardement ionization (FAB)

Det tillater analyse av molekyler som ikke kan fordampes under vakuum (store biologiske molekyler). Ionisering utføres ved dampfase-utvisning av ionene som er inneholdt i en væskeprøve etter et bombardement av raske atomer (Ar eller Xe). De således ioniserte molekylene har ikke så mye indre energi, så fragmentering er lav, men molekylionet gjenkjennes lett, og molekylmassen er lett å bestemme. Prøven blandes i oppløsning med en ikke-flyktig flytende matrise (glyserol, tioglyserin, m-nitrobenzylalkohol). En høyenergistråle (i størrelsesorden 4 til 10  keV ) av nøytrale atomer (Ar eller Xe) sendes til prøven og matrisen i kollisjonskammeret, og forårsaker dermed fenomenet desorpsjon og ionisering. De eksisterende ionene i løsningen blir utvist i gassfasen og akselerert mot analysatoren.

Elektrosprayionisering (ESI)

Dens prinsipp er som følger: ved atmosfærisk trykk dannes dråper av oppløste stoffer på slutten av en fin kapillær som har et høyt potensial. Det intense elektriske feltet gir dem en høy ladetetthet. Under virkningen av dette feltet og med mulig hjelp av en koaksial luftstrøm, blir det flytende avløpet transformert til en sky av fine dråper (spray) ladet i henhold til ioniseringsmodus. Under effekten av en andre oppvarmet luftstrøm fordamper dråpene gradvis. Ladetettheten deres blir for høy, dråpene eksploderer og frigjør mikrodropper bestående av protonerte eller deprotonerte molekyler av analytten, og bærer et variabelt antall ladninger.
De således dannede ionene styres deretter ved hjelp av elektriske potensialer påført to påfølgende prøvetakingskegler som fungerer som barrierer med nedstrømsdelene opprettholdt under høyt vakuum (<10 -5 Torr). I løpet av denne høytrykksreisen gjennomgår ionene flere kollisjoner med gass- og løsemiddelmolekylene, noe som fullfører deres desolvasjon. Ved å variere de elektriske potensialene som brukes i kilden, er det mulig å forårsake mer eller mindre signifikante fragmenteringer.
Fordelen med denne ioniseringsmetoden som for APCI er å oppnå fleretallede ioner for makromolekylene, polymerene. Det gjør det også mulig å generere en “myk” ionisering: de fleste molekylioner dannes.

Kjemisk ionisering ved atmosfæretrykk (APCI)

Væskeprøvene føres direkte inn i en pneumatisk forstøver. Under virkningen av en luftstråle eller nitrogen blir væsken forvandlet til en fin tåke. Oppvarming sikrer løsningen av forbindelsene. Sistnevnte blir deretter kjemisk ionisert ved atmosfæretrykk: generelt fungerer den fordampede mobile fasen som ioniseringsgass, og elektronene blir oppnådd fra koronaelektrodutladninger. Ionisering av forbindelser er sterkt favorisert under disse teknikkene fordi kollisjonsfrekvensen er høy ved atmosfærisk trykk.
APCI er en teknikk som er analog til kjemisk ionisering (CI), bruker den ion-molekyl reaksjoner i gassfase, men ved atmosfæretrykk og i det vesentlige fører til dannelsen av [MH] + eller [MH] + ioner . - .

Matriseassistert laserdesorpsjonsionisering (MALDI)

En pulserende laserstråle brukes, generelt innen ultrafiolett, for å desorbere og ionisere en matrise / prøveblanding som er krystallisert på en metalloverflate, målet.
Matriksmolekylene absorberer energien som overføres av laseren i form av UV-fotoner, blir begeistret og ioniserer. Energien absorbert av matrisen forårsaker dens dissosiasjon og passering i gassfasen. De ioniserte matriksmolekylene overfører ladningen til prøven. Utvidelsen av matrisen driver prøven inn i den tette gassfasen hvor den vil bli ferdig ionisert.
Ioniseringen av prøven skjer derfor enten i den faste fasen før desorpsjon, eller ved ladningsoverføring under kollisjoner med den eksiterte matrisen etter desorpsjon. Det fører til dannelse av monoladede og flerladede ioner av [M + nH] n + -typen , med en klar overvekt for de monoladede.

Termisk ionisering (TIMS)

Oppvarming av prøven desorberer atomer som deretter er til stede i ionisert form under påvirkning av varme. Elektromagnetiske linser fokuserer ionene i individuelle stråler i henhold til masse / ladningsforholdet. Variasjoner av denne teknikken finnes i formen ID-TIMS (for engelsk isotopfortynning ) og CA-TIMS (for engelsk: Chemical Abrasion ).

Analysator

Analysatorene skiller seg i prinsippet om å måle m / z- forholdet til ionene, som er:

• spredning av ioner, basert på deres øyeblikk eller deres kinetiske energi (magnetiske eller elektriske sektorinstrumenter)
• tidsseparasjon, basert på ionhastighet (TOF)
• overføring av ioner som passerer gjennom et elektrodynamisk felt (quadrupole)
• periodisk bevegelse i et magnetisk eller elektrodynamisk felt (feller eller ionfeller)

Quadrupole analysatoren

En kvadrupol (eller kvadrupol) består av fire parallelle elektroder med hyperbolsk eller sylindrisk seksjon. De motsatte elektrodene i en avstand på 2 er sammenkoblet og utsatt for det samme potensialet.r0{\ displaystyle r_ {0}}

De tilstøtende elektrodene føres til potensialer av samme verdi, men motsatt slik at potensialforskjellen er lik . ϕ0{\ displaystyle \ phi _ {0}}

Dette potensialet er resultatet av kombinasjonen av spenninger, den ene kontinuerlige (U) den andre alternativet (V) av høyfrekvente f:ϕ0{\ displaystyle \ phi _ {0}}ϕ0=U-V⋅cos⁡(2πft){\ displaystyle \ phi _ {0} = UV \ cdot \ cos (2 \ pi ft)}

Ved å anvende denne potensielle forskjellen mellom hvert par elektroder, opprettes et kvadrupol elektrisk felt. Et koordinatpunkt (x, y, z) plassert i det elektriske feltet vil da bli utsatt for potensialet:ϕ=ϕ0⋅x2-y2r02{\ displaystyle \ phi = \ phi _ {0} \ cdot {\ frac {x ^ {2} -y ^ {2}} {r_ {0} ^ {2}}}}

Banen til et ion som kommer inn i kvadrupolen, vil derfor være ensartet langs z-aksen og beskrevet av Mathieus ligninger langs de to andre aksene. Det er mulig å definere stabilitetssoner som en funksjon av U- og V-verdiene slik at x- og y-koordinatene til ionet forblir strengt mindre enn . En av dem utnyttes av massespektrometri (se figur) (ionene som er i denne sonen vil derfor ha en stabil bane i firepolen og vil bli oppdaget). Ved å holde U / V-forholdet konstant, får vi en rett linje av analysatoren. En feiing av U med konstant U / V tillater suksessiv observasjon av alle ioner hvis stabilitetssone blir kuttet av operasjonslinjen. Oppløsningen mellom disse ionene er desto større ettersom stigningen på linjen er høy. r0{\ displaystyle r_ {0}}

I fravær av direkte spenning vil alle ioner med m / z-forhold større enn det som er fastsatt av verdien av V påført, ha en stabil bane (x og y < ), kvadrupolen sies da å være gjennomsiktig og fungerer som en ionefokuser . r0{\ displaystyle r_ {0}}

De viktigste fordelene med kvadrupol-spektrometer ligge i sin fleksibilitet for bruk, det enhet oppløsningen over hele dens masse spekter, dens tilfredsstillende skannehastighet, samt dets tilpasning til forskjellige grensesnitt som tillater kobling med gass eller væske -kromatografi .

I likhet med kvadrupolanalysatoren, men med henholdsvis 6 og 8 elektroder, kan de ikke brukes som analysatorer (de kan ikke skille ionene i henhold til deres masse / ladningsforhold): deres rolle er å lede og fokusere ionene opp til neste analysator.

Quadrupole-ionefellen ("ion trap")

Det er en ionefelle der forberedelse, analyse og påvisning av ioner foregår i samme rom etter påfølgende tidssekvenser.
Fellen består av tre elektroder med en hyperbolsk seksjon: en ringformet elektrode innrammet av to hetteelektroder (inngang og utgang) som danner de øvre og nedre hettene på enheten. En radiofrekvensspenning kombinert eller ikke med en direkte spenning U påføres mellom den sentrale elektroden og de to hetteelektrodene. Det resulterende feltet er da tredimensjonalt. Domenene til stabiliteten til ionene bestemmes igjen av Mathieus ligninger . Den som brukes er definert slik at når ionene kommer ut, forblir deres radiale bane stabil i motsetning til den langs z-aksen. En feiing av amplituden til radiofrekvensen V vil derfor resultere i utdriving av ionene fanget langs denne aksen, mot detektoren. De stabile banene til ionene i det resulterende kvadrupolfeltet er tredimensjonale, figur åtte. V⋅cos⁡(2πft){\ displaystyle V \ cdot \ cos (2 \ pi ft)}

Flytid

Flytidsanalysatoren består av å måle tiden det tar for et ion, tidligere akselerert av en spenning, å reise en gitt avstand. Mass-til-ladningsforholdet er direkte målbart fra flytidspunktet.

En tid-for-fly-analysator består av en akselerasjonssone der akselerasjonsspenningen påføres, og en sone kalt flyrøret, uten felt. De akselererte ionene kommer inn i flyrøret uten felt. Separasjonen av ionene vil derfor bare avhenge av hastigheten som ervervet i akselerasjonsfasen. Ioner med det minste m / z- forholdet når detektoren først. For hver gruppe ioner med samme m / z- forhold registreres et signal ved detektoren i form av en tid / intensitetsfunksjon.

Imidlertid har denne deteksjonsmodus visse begrensninger når det gjelder oppløsning: dermed vil to identiske ioner, med samme starthastighet, men plassert på to forskjellige punkter, komme inn i flyrøret med forskjellige hastigheter og tider. Den som er lengst fra detektoren ved opprinnelsen, vil bli akselerert i lengre tid og vil derfor ha kortere flytid, derav en spredning i tid og energi. Reflektron- modusen gjør det mulig å overvinne dette fenomenet.

I reflektronmodus pålegger et elektrostatisk speil et elektrisk retningsfelt motsatt det opprinnelige akselerasjonsfeltet, og derfor av ionens bevegelse. Sistnevnte ser dermed deres bane modifisert: de går inn i reflektronen og lar den ha en langsgående hastighet i motsatt retning av sin opprinnelige hastighet. De mest energiske ionene kommer først til reflektronen og vil trenge dypere inn der, slik at de vil reflekteres på lengre tid. På denne måten er alle ionene med det samme m / z- forholdet fokusert på det samme planet, idet reflektrondetektoren blir plassert på fokuseringsplanet til disse ionene. I tillegg gjør reflektronen det mulig å forlenge flyavstanden uten å øke størrelsen på analysatoren: ionene tar lengre tid å nå detektoren, og reduserer også spredningen i tid, slik at oppløsningen er funnet. Forbedret.

FT-ICR

Ionsyklotronresonansanalysatoren består av en ICR- celle (for eksempel med kubisk konfigurasjon) som spesielt omfatter seks levende plater, isolert fra hverandre.

Anvendelsen av et magnetostatisk felt B langs z-aksen utsetter ionene for Lorentz-kraften . Deres bevegelse i (x, y) -planet er da "cyklotronisk", det vil si ensartet frekvenssirkulær . Ionene er også begrenset langs z-aksen av et elektrostatisk felt pålagt av de to platene parallelt med planet (Oxy), som følge av påføring av en lav spenning. F=eZ⋅v∧B{\ displaystyle F = eZ \ cdot v \ land B}f=eB2πmz{\ displaystyle f = {\ frac {eB} {2 \ pi {\ frac {m} {z}}}}

Når de først er fanget i cellen, har ionene den samme banen, men ikke den samme posisjonen på et bestemt øyeblikk (a).

Det tilrådes derfor å gi ionene med samme m / z en total bevegelse ved å sette dem i fase ved syklotronresonans. For dette blir m / z-ionene eksitert av et vekslende frekvensfelt som tilsvarer deres cyklotronfrekvens: for å eksitere alle ionene i et bestemt område av m / z, pålegges en spenning som inneholder alle de tilsvarende cyklotronfrekvensene. Ionene blir deretter akselerert, faset og ser radiusen av bane øke (b).

Strømmen indusert av den sammenhengende bevegelsen av ioner med samme m / z vil bli målt på deteksjonsplatene (c): den vil være en dempet sinusform av syklotronfrekvensen. Den totale induserte strømmen målt vil derfor være summen av dempet sinusoider av syklotroniske frekvenser som tilsvarer ionene til m / z eksitert av resonans. Syklotronfrekvensen er proporsjonal med 1 / (m / z), den inverse av Fourier-transformasjonen av den oppnådde strømmen gjør det mulig å komme til massespektret i m / z.

Denne analysatoren har en av de beste oppløsninger som er mulig (Rs> 100.000), derfor har MS-spekteret en større toppkapasitet, som maksimerer mengden informasjon for analyse av komplekse blandinger. Men når bredden på toppene er proporsjonal med (m / z) ², er oppløsningen bedre ved m / z mindre enn 5000 Th. Den utmerkede nøyaktigheten til FT-ICR på massemåling (5-10 ppm) øker eller reduserer uklarheter ved identifisering av forbindelser. Masseområdet avhenger av verdien av magnetfeltet, det strekker seg opp til 27.000 Da for et felt på 7 T. På den annen side er det dynamiske området ganske begrenset, med 2-3 tiår, fordi denne analysatoren ved inneslutning lider av samme feil som firebenefellen, mulig sameksistens av et begrenset antall ioner. Derfor vil de meget små toppene i massespektret presentere en mindre presis massemåling. FT-ICR tillater MS / MS-analyse i selve cellen, med forskjellige muligheter for ionaktivering og derfor selektive fragmenteringer.

Banefellen

Banehylsen består av en hul elektrode, inne i hvilken koaksialt er plassert en spindelformet elektrode. Den spesielle formen på disse elektroder som gjør det mulig for ileggelse av elektrostatiske felt Quadro-logaritmisk med spenningen: .  U(r,z)=k2⋅(z2-r22)+k2⋅Rm2⋅ln⁡(rRm)+VS{\ displaystyle \ U (r, z) = {\ frac {k} {2}} \ cdot \ left (z ^ {2} - {\ frac {r ^ {2}} {2}} \ right) + {\ frac {k} {2}} \ cdot Rm ^ {2} \ cdot \ ln \ left ({\ frac {r} {Rm}} \ høyre) + C}

med Rm karakteristisk radius av den sentrale elektroden, k krumning av feltet, og C en konstant.

Feltet er spesielt kvadrupolar langs elektrodenes z-akse. Ionene injiseres tangentielt til den sentrale elektroden og fanges rundt den av den elektrostatiske kraften som kompenserer for sentrifugalkreftene. Bevegelsen til ionene brytes deretter ned som følger: en sirkulær bevegelse rundt den sentrale elektroden i (xy) -planet og en oscillerende frem og tilbake bevegelse langs z-aksen. Spesielt vil ionene til et gitt m / z være på den samme sirkulære banen som svinger aksialt med en frekvens f. f er uavhengig av hastigheten eller energien til ionene og uttrykkes som . På samme måte som for FT-ICR, gjør strømmen indusert av disse svingningene det mulig ved en Fourier-transformasjon å få tilgang til m / z. 12πkmz{\ displaystyle {\ frac {1} {2 \ pi {\ sqrt {k {\ frac {m} {z}}}}}}

Nøyaktigheten til m / z-målinger er spesielt god (1-2 ppm), og oppløsningen (opptil 100 000) er i motsetning til FT-ICR, spesielt fordi den er proporsjonal med 1 / √ (m / z), den avtar mindre raskt med m / z-forholdet enn i tilfelle FT-ICR. Det dynamiske området er tilfredsstillende (> 3 tiår). Orbitrap brukes hovedsakelig i tandem massespektrometri, assosiert med en lineær felle.

Analysator for magnetisk sektor

Ionen kastes ut i et medium der det er et jevnt magnetfelt vinkelrett på banen til banen. På grunn av Lorentz-kraften , lar kurven og ionets påvirkningspunkt (derfor dens avvik) bli kjent fra ladningen.

Faktisk koordinerer enten magnetfeltet (dirigering ) og den innledende hastigheten vinkelrett på , det leder . B→{\ displaystyle {\ vec {B}} \,}Oz→{\ displaystyle {\ overrightarrow {Oz}}}(00B){\ displaystyle {\ begin {pmatrix} 0 \\ 0 \\ B \ end {pmatrix}}}v→0{\ displaystyle {\ vec {v}} _ {0} \,}B→{\ displaystyle {\ vec {B}} \,}Ox→{\ displaystyle {\ overrightarrow {Ox}}}

Deretter: . qv→∧B→=(qBy˙-qBx˙0){\ displaystyle q {\ vec {v}} \ wedge {\ vec {B}} = {\ begin {pmatrix} qB {\ dot {y}} \\ - qB {\ dot {x}} \\ 0 \ slutt {pmatrix}}}

Derfor skriver du det grunnleggende forholdet mellom dynamikk . {mx¨=qBy˙my¨=-qBx˙{\ displaystyle \ left \ {{\ begin {matrix} m {\ ddot {x}} = qB {\ dot {y}} \\ m {\ ddot {y}} = - qB {\ dot {x}} \ end {matrix}} \ right.}

Enten: hvor . {x¨-ω0y˙=0y¨+ω0x˙=0{\ displaystyle \ left \ {{\ begin {matrix} {\ ddot {x}} - \ omega _ {0} {\ dot {y}} = 0 \\ {\ ddot {y}} + \ omega _ { 0} {\ dot {x}} = 0 \ end {matrix}} \ høyre.}ω0=qBm{\ displaystyle \ omega _ {0} = {\ frac {qB} {m}}}

La oss stille . V~=x˙+Jegy˙{\ displaystyle {\ tilde {V}} = {\ dot {x}} + i {\ dot {y}}}

Det har vi da . V~˙+Jegω0V~=0{\ displaystyle {\ dot {\ tilde {V}}} + i \ omega _ {0} {\ tilde {V}} = 0}

Løse, . V~(t)=v0e-Jegω0t=v0cos⁡(ω0t)-v0Jegsynd⁡(ω0t){\ displaystyle {\ tilde {V}} (t) = v_ {0} e ^ {- i \ omega _ {0} t} = v_ {0} \ cos (\ omega _ {0} t) -v_ { 0} i \ sin (\ omega _ {0} t)}

Og så: (ved å bruke de første forholdene). {x˙(t)=v0cos⁡(ω0t)y˙(t)=-v0synd⁡(ω0t){\ displaystyle \ left \ {{\ begin {matrix} {\ dot {x}} (t) = v_ {0} \ cos (\ omega _ {0} t) \\ {\ dot {y}} (t ) = - v_ {0} \ sin (\ omega _ {0} t) \ end {matrix}} \ right.} {x(t)=v0ω0synd⁡(ω0t)y(t)=v0ω0cos⁡(ω0t)-mv0qB{\ displaystyle \ left \ {{\ begin {matrix} x (t) = {\ frac {v_ {0}} {\ omega _ {0}}} \ sin (\ omega _ {0} t) \\ y (t) = {\ frac {v_ {0}} {\ omega _ {0}}} \ cos (\ omega _ {0} t) - {\ frac {mv_ {0}} {qB}} \ end { matrise}} \ høyre.}

Det er faktisk den parametriske ligningen til en sirkel med radius . Rvs.=mv0|qB|{\ displaystyle R_ {c} = {\ frac {mv_ {0}} {\ left | qB \ right |}}}

Spektrometeret måler deretter slagavstandene når partikkelen har laget en halvcirkel. Avstanden til utgangspunktet tilsvarer diameteren derfor dobbelt så radius gitt av den siste formelen. Ladningen av partikkelen gjør det derfor mulig å utlede massen .

Detektoren

I likhet med analysatorer og kilder, finnes det forskjellige typer detektorer. De er alle basert på forskjellige fysiske prinsipper, men deres rolle forblir den samme, teller ioner. Det er en del plassert under vakuum (10 −5 - 10 −7 Torr).

• De fotografiske platene er den historiske detektoren. Platen er belagt med en sølvbromidemulsjon, dens sverting gir en relativ verdi av strømningsintensiteten (mengde ioner). Denne teknikken er veldig ufølsom.
• Det prinsipp av Faraday-sylinderen er som følger: ladningsoverførings av ionet blir detektert på en ledende overflate, da signalet forsterkes. Denne teknikken er presis, men ikke veldig følsom, med en viss måling og en betydelig bakgrunnsstøy.
• Den vanligste detektoren er elektronmultiplikatoren . Signalet forsterkes ved dannelse av sekundære elektroner ved bruk av bly-dopede glassrør (dynode). Den har god følsomhet, med sterk forsterkning, men den er mindre presis enn Faraday-sylinderen. Den har også en begrenset levetid. Den microchannel kjeks , en annen detektor, kan betraktes som en sammenstilling av elektron multiplikatorer.
• Den foton multiplikatoren er avledet fra elektron multiplikatoren: signalet forsterkes ved dannelsen av sekundærelektroner ved hjelp av bly-dopet glassrør ( dynode ). Disse elektronene akselereres mot en fosforescerende skjerm der de blir omdannet til fotoner. Disse fotonene blir deretter oppdaget av fotomultiplikatoren. Den har god følsomhet, med sterk forsterkning, men skanningen er tregere enn med en elektronmultiplikator.

Tandem massespektrometri (MS / MS)

Se også: Sekvensering ved massespektrometri

Tandem-massespektrometri består i å velge et ion ved en første massespektrometri, i å fragmentere det, og deretter å utføre en andre massespektrometri på de således genererte fragmentene.
Det kan utføres ved hjelp av en rekke enheter som kombinerer magnetiske, elektriske, kvadrupol- eller flytidssektorer, men også i samme analysator når det gjelder en ionefelle.

Den tredoble firbenet

En trippel kvadrupol er resultatet av sammenslutningen av to kvadrupolanalysatorer i serie, atskilt med en kollisjonscelle som ofte består av en kortere kvadrupol. Denne kombinasjonen av quadrupoles gjør det mulig å jobbe i enkel eller tandem MS. For å gjennomføre et MS-anskaffelse er det tilstrekkelig å bare bruke en vekselspenning på en av analysatorene for å gjøre den "gjennomsiktig" som kollisjonscellen, den sistnevnte inneholder da ingen gass.

Under et MS / MS-anskaffelse fylles kollisjonscellen med en inert gass (argon for eksempel) under et relativt høyt trykk ( torr). Den kinetiske energien til det valgte ionet konverteres under påfølgende kollisjoner til intern energi. Dissosiasjonen av ionet vil finne sted når den indre energien har blitt større enn aktiveringsenergien som er nødvendig for fragmentering. Denne kollisjonsinduserte dissosiasjonsteknikken (CAD eller CID ) kan forsterkes ved å øke den kinetiske energien til de valgte ionene ved å anvende en potensiell forskjell mellom kilden og kollisjonscellen. MS / MS-analysen kan utføres i fire forskjellige moduser avhengig av informasjonen som søkes: den synkende modusen er den mest brukte for å oppnå strukturell informasjon, de to modusene (stigende og tap av nøytral) har mer begrenset bruk og gjør det mulig for å markere ioner som har felles egenskaper. Den fjerde modusen (Multiple Reaction Monitoring eller MRM), avledet fra top-down-modus, er dedikert til kvantifisering. 10-2{\ displaystyle 10 ^ {- 2}}

• i synkende modus velges ionet som skal studeres ved å fokusere den første analysatoren på m / z- forholdet . Fragmentene som dannes i kollisjonscellen skilles fra den andre analysatoren og analyseres. Det oppnådde spekteret viser både forløperionet (eller foreldreionet) og dets fragmentioner (eller produktioner).
• i stigende modus skanner den første analysatoren et masseområde mens den andre er fokusert på et enkelt m / z- forhold . Alle ionene som genereres ved kilden og som er i stand til å gi et fragment med samme m / z- forhold, vil derfor bli oppdaget.
• i tap av nøytral modus skanner de to analysatorene et masseområde samtidig og med en konstant masseforskyvning. Det etablerte spekteret vil da presentere alle foreldreionene som er i stand til å fragmentere ved å generere en nøytral med masse lik den pålagte skiftet.
• i MRM-modus velges foreldreionet som skal studeres av den første analysatoren og fragmenteres i kollisjonscellen, som i synkende modus. På den annen side er den andre analysatoren fokusert på det produserte ionet. Denne driftsmodusen presenterer en dobbel selektivitet, på nivået med valg av foreldreion og produktion. I tillegg, siden begge analysatorene er innstilt på konstante spenninger, forbedres deteksjonsfølsomheten i forhold til andre skannemodi, noe som gjør MRM til en valgfri modus for kvantifisering.

Quadrupole ionelås

Innen en kvadrupolionfelle (noen ganger kalt en "ionefelle" på grunn av en dårlig oversettelse av den engelske ionefellen ), utføres tandemanalysen først ved å velge ioner inkludert m / z- verdien . Disse fangede ionene vil deretter fragmenteres ved kollisjoner (anskaffelse av intern energi, vibrasjonseksitasjon) ved bruk av en RF-spenning (radiofrekvens) som tilsvarer deres resonansfrekvens, og produktionene som dannes blir igjen fanget. En selektiv masseutkasting av produktionene (fragmenter) kan deretter utføres med tanke på deres analyse. Kollisjonsgassen er vanligvis helium permanent tilstede i fellen og har også den rolle å fokusere ionene i sentrum av analysatoren.
Innhenting av ioner av høyere generasjoner er mulig ved enkel fornyelse av prosessen (valg av et produkt ion, fragmentering, valg av en 2- nd  generasjon produkt ion , fragmentering, etc.). Denne sekvensen kalles , hvor n er antall generasjoner av ioner. Så det er MS-MS og så videre ... MSikke{\ displaystyle MS ^ {n}}MS2{\ displaystyle MS ^ {2}}

Hybrid

Ved å kombinere flere typer analysatorer i et tandem massespektrometer, kan styrken til begge typer analysatorer kombineres.

• Quadrupole / flytid:

Detaljert artikkel: Quadrupole-Time-of-Flight Tandem Mass Spectrometry

Disse Q-TOF kjente anordninger består av en dobbelt kvadropol ( 1 st  analysator + kollisjon celle) og en time of flight analysator som den andre analysator. Quadrupolen gir dermed stor effektivitet til MS / MS-prosessen, mens TOF gir sin utmerkede følsomhet, høye analysehastighet og mye bedre masseoppløsninger og presisjon på de produserte ionene, sammenlignet med en trippel kvadrupolkonfigurasjon. Imidlertid er disse instrumentene begrenset av det lave dynamiske området til TOF.

• Quadrupole / quadrupole ion trap:

Denne kombinasjonen unngår romladningsproblemer forbundet med ionefeller. Fellen gir bedre følsomhet og raskere analysehastighet. I tillegg, sammenlignet med en enkel felle, tillater denne kombinasjonen alle MS / MS-oppkjøpsmodusene til den tredobbelte kvadrupolen (tap av nøytral og stigende modus).

• Quadrupole ionelås / flytid:

Sammensetningen av en ionefelle og en TOF gir tilgang til en meget grundig strukturell analyse av MS n takket være fellen, men presenterer også en stor presisjon i masse på forløperionene og produktene for bestemmelse av formlene. Rå, og fullfører dermed identifikasjonen. Denne hybridinnretningen er således hovedsakelig ment for identifikasjon og strukturanalyse.

• Ionfelle / FT-ICR eller Ion trap / Orbitrap:

Målet med denne typen koblinger er å oppnå massepresisjon og oppløsning, som er enda bedre enn med en TOF som en annen analysator, og tillater etablering av entydige råformler og derfor lettere identifisering. Imidlertid representerer disse enhetene en mye høyere investering, sammenlignet med en ion / time-of-flight trap.

Relaterte artikler

• Biofysikk
• Spektroskopi
• Ionfeste massespektrometer
• Akselerator massespektrometri  (en)

Referanser

1. "  The different desorption-ionization and solvation-ionization techniques used in mass spectrometry  " , en CultureSciences-Chemistry artikkel fra Ecole Normale Supérieure-DGESCO
2. Gasskromatografi og massespektrometri: en praktisk guide, Kitson, Larsen & McEwen, akademisk presse, 1996
3. Lawson, G.; Todd, JFJ; Bonner RF, Dyn. Massespektrom. 1975, 4, 39
4. Dawson, PH; Whetten, NR, J. Vac. Sci. Technol. 1968, 5, 11
5. Campana, JE, Int. J. Massespektrom. Ion Phys. 1980, 33, 101
6. Hu, Q.; Noll, RJ; Li, H.; Makarov, A.; Hardman, M.; Cooks, G., J. Mass Spectrom. 2005 40 (4), 430
7. Makarov, A.; Denisov, E.; Kholomeev, A.; Balschun, W. Lange, O.; Strupat, K.; Horning, S. Anal Chem. 2006 78 (7), 2113
8. Radiokarbondatering ved akseleratormassespektrometri

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">