Spectrométrie de masse – Guide technique

Certains spectromètres de masse sont plus petits qu’une pièce de monnaie, d’autres peuvent occuper une très grande salle entière. Bien que les divers types d’instruments aient des applications très différentes, ils partagent certains principes de fonctionnement fondamentaux. Aujourd’hui, l’unité de mesure utilisée est le dalton (Da), remplaçant d’autres unités comme l’uma. 1 Da correspond à 1/12 de la masse d’un atome de carbone 12 (¹²C).

Autrefois, on considérait que les spectromètres de masse ne permettaient pas d’effectuer une quantification rigoureuse. Ils étaient alors uniquement employés pour l’analyse qualitative, c’est-à-dire pour déterminer l’identité des composés. Plus récemment, ils ont fait leurs preuves autant sur le plan qualificatif que quantitatif.

Un spectromètre de masse ne peut mesurer la masse d’une molécule qu’après l’avoir convertie en ions en phase gazeuse. Pour ce faire, l’instrument transmet une charge électrique aux molécules et convertit le flux d’ions chargés électriquement obtenu en un courant électrique proportionnel. Un système de données lit alors ce courant électrique, le convertit en un signal numérique et l’affiche sous la forme d’un spectre de masse.

Il existe plusieurs techniques pour créer des ions selon l’analyte cible :

• Par ablation laser d’un composé dissous dans une matrice sur une surface plane, par exemple par MALDI
• Par interaction avec une particule chargée ou un électron, par exemple par ionisation électronique (EI)
• Au cours d’une partie du processus de transport lui-même, que l’on appelle électrospray, où l’éluant issu d’un chromatographe en phase liquide reçoit une tension élevée entraînant la formation d’ions à partir d’un aérosol

Les ions sont séparés, détectés et mesurés en fonction de leur rapport masse/charge (m/z). Le courant ionique relatif (signal) est tracé en fonction du rapport m/z pour obtenir un spectre de masse. Les petites molécules ne présentent généralement qu’une seule charge : le rapport m/z correspond donc à une masse (m) supérieure à 1. 1 correspond à l’ajout ou à la perte d’un proton lors du processus d’ionisation, respectivement notés M+H+ ou M-H-, ou bien à la perte d’un électron, noté alors comme le cation radicalaire [M+.]. L’exactitude d’un spectromètre de masse, autrement dit sa capacité à mesurer la masse réelle, peut varier comme nous le verrons dans les prochaines sections de ce guide technique.

Les plus grosses molécules capturent des charges à plusieurs endroits de leur structure. Typiquement, les petits peptides peuvent avoir deux charges (M+2H+), tandis que les très grosses molécules présentent de nombreux sites, permettant de déduire la masse de l’ion représenté sur le spectre à l’aide d’algorithmes simples.

Quelle taille de molécule est-il possible d’analyser ?

Grâce aux méthodes de désorption décrites dans ce guide technique, il est maintenant possible d’analyser de grosses molécules non volatiles et fragiles. La détection en routine de 40 000 Da avec une exactitude de 0,01 % (ou 4 Da) permet de déterminer des changements mineurs tels que des modifications post-traductionnelles. L’acquisition de charges multiples étend la plage du spectromètre de masse bien au-delà de sa limite supérieure pour inclure des masses de 1 000 000 Da ou plus.

Spectrométrie de masse pour l’analyse isotopique et élémentaire

L’abondance naturelle des isotopes est bien caractérisée. Bien que souvent considérée comme stable, elle peut néanmoins présenter des variances significatives et caractéristiques. Les mesures de rapport isotopique sont utilisées dans les études métaboliques (où des éléments enrichis en isotopes sont utilisés comme traceurs), ainsi que dans les études climatiques mesurant les variations de l’oxygène et du carbone en fonction de la température. Dans la pratique, les molécules complexes sont fragmentées en des composés moléculaires simples, puis mesurées avec un niveau d’exactitude élevée, par exemple à l’aide d’un instrument à secteur magnétique (voir la section suivante).

L’analyse élémentaire est généralement effectuée sur des matériaux inorganiques, dans certains cas à partir d’échantillons métalliques solides. Elle vise à déterminer leur composition élémentaire et non leur structure. Les sources à plasma à couplage inductif (ICP) sont courantes lorsque l’échantillon est ionisé par un dispositif de décharge (ou une décharge luminescente de faible intensité). Il n’est pas rare d’avoir recours à des instruments dédiés pour détecter des composés à des concentrations de l’ordre de la partie par billion.