La spectrométrie de masse (MS) GC-MS combine les caractéristiques de la chromatographie en phase gazeuse et de la spectrométrie de masse pour identifier différentes substances dans un échantillon. Les applications typiques incluent la détection de médicaments, l'identification de substances médico-légales et l'analyse environnementale, etc. Chromatographie en phase gazeuse - la spectrométrie de masse est une combinaison courante pour la détection et l'identification spécifiques de substances chimiques. La technique de chromatographie en phase gazeuse est utilisée pour la séparation initiale des composants de l'échantillon qui sont ensuite introduits dans le spectromètre de masse pour être triés en fonction de leurs rapports masse / charge.
L'analyse GC-MS est couramment utilisée dans les industries pharmaceutique et alimentaire, mais également dans la détection d'échantillons inconnus, par exemple l'analyse environnementale, la médecine légale, la détection d'incendie et les enquêtes sur les explosifs. La spectrométrie de masse (MS) utilise le mouvement des ions dans les champs électriques et magnétiques afin de les trier selon leurs rapports masse / charge. Ainsi, la SEP est une technique analytique par laquelle les substances chimiques sont identifiées par le tri des ions gazeux dans les champs électriques et magnétiques. Les instruments utilisés dans ces études fonctionnent sur le principe que les ions en mouvement peuvent être déviés par les champs électriques et magnétiques. Un appareil qui effectue cette opération et qui utilise des moyens électriques pour détecter les ions triés est appelé spectromètre de masse. MS fournit des informations qualitatives et quantitatives sur la composition atomique et moléculaire des matériaux inorganiques et organiques. Spectrométrie de masse - Instrumentation Les spectromètres de masse se composent de quatre parties de base ; un système de manipulation pour introduire l'échantillon inconnu dans l'équipement; une source d'ions, dans laquelle un faisceau de particules caractéristique de l'échantillon est produit; un analyseur qui sépare les particules en fonction de la masse; et un détecteur, dans lequel les composants ioniques séparés sont collectés et caractérisés.
Le spectromètre nécessite un chemin sans collision pour les ions et fonctionne donc sous vide ou dans des conditions proches du vide. Le système d'entrée d'échantillon est conçu pour une perte minimale de vide. La source d'ions crée des fragments d'ions gazeux à partir de l'échantillon. Il existe deux types de sources d’ions ; sources en phase gazeuse et sources de désorption.
Dans les sources en phase gazeuse, l'échantillon est d'abord volatilisé avant que l'ionisation des composants gazeux n'ait lieu de différentes manières. L'échantillon est vaporisé à l'extérieur de la source d'ions. Des exemples de méthodes d'ionisation sont l'ionisation chimique, l'ionisation par impact électronique et l'ionisation de champ.
Dans l'ionisation chimique, une petite quantité d'atomes gazeux est ionisée par collision avec des ions produits par le bombardement électronique du gaz réactif. Certains gaz réactifs répandus sont le méthane, l'oxygène, l'ammoniac et l'hydrogène.
La source d'ions à impact électronique est la méthode d'ionisation la plus utilisée. Un faisceau d'électrons, généré à partir d'un filament de tungstène ou de rhénium, est utilisé pour ioniser des atomes ou des molécules en phase gazeuse. Les ions se forment lors de la collision du faisceau d'électrons et des molécules d'échantillon. M + e- -> M +. + 2e-
Ici, M représente la molécule analysée et M +. est son ion moléculaire. Les ions positifs sont accélérés par un champ électrique et passés dans un champ magnétique. En modifiant la tension d'accélération, c'est-à-dire la vitesse de la particule ou la force du champ magnétique, des ions de différents rapports masse / charge peuvent être collectés et mesurés.
Ionisation de champ Les molécules peuvent perdre un électron lorsqu'elles sont placées dans un champ électrique très élevé. Des champs élevés peuvent être créés dans une source d'ions en appliquant une haute tension entre une cathode et une anode, un soi-disant émetteur de champ. Un émetteur de champ est constitué d'un fil recouvert de dendrites de carbone microscopiques, qui amplifient considérablement le champ effectif des points de carbone. L'échantillon gazeux d'un système d'entrée est autorisé à pénétrer dans la zone de champ élevé autour des micropointes de l'émetteur. Les électrons de l'analyte sont extraits par les micropointes et il y a peu ou pas de fragmentation de l'ion.
Sources de désorption Dans les sources de désorption, les ions sont formés à partir d'échantillons en phase condensée. Un avantage majeur de l'ionisation par désorption est qu'elle permet l'examen de molécules non volatiles et thermiquement instables. La désorption sur le terrain et le bombardement atomique rapide sont deux exemples de source de désorption.
La désorption de champ est une technique intéressante pour étudier les phénomènes de surface tels que les espèces adsorbées et les résultats des réactions chimiques sur les surfaces. C'est également une méthode utile pour les grandes molécules polaires lipophiles. Dans la désorption de champ, un émetteur à plusieurs pointes similaire à celui utilisé dans l'ionisation de champ est utilisé. L'électrode est montée sur une sonde qui peut être retirée du compartiment échantillon et recouverte d'une solution de l'échantillon. L'ionisation a lieu par l'application d'un potentiel élevé à l'électrode. Parfois, il est nécessaire de chauffer l'émetteur avec un courant électrique. Bombardement atomique rapide Lors d'un bombardement atomique rapide, un faisceau à haute énergie d'atomes neutres, généralement du xénon ou de l'argon, frappe un échantillon solide provoquant la désorption et l'ionisation. Cette technique est utilisée pour les grosses molécules biologiques difficiles à mettre en phase gazeuse. Le faisceau atomique est produit en accélérant les ions d'une source d'ions à travers une cellule d'échange de charge. Les ions captent un électron en collision avec des atomes neutres pour former un faisceau d'atomes de haute énergie.
Conceptions d'analyseurs de masse Le but de l'analyseur de masse est de séparer les ions produits dans la source d'ions selon leur rapport masse / charge différent. Les concepteurs d'analyseurs les plus courants comprennent les quadruples analyseurs de masse à secteur magnétique et à temps de vol.
Un champ quadruple est formé de quatre tiges parallèles électriquement conductrices. Les tensions appliquées affectent la trajectoire des ions se déplaçant sur la trajectoire de vol centrée entre les quatre tiges. Pour des tensions données, seuls les ions d'un certain rapport masse / charge sont autorisés à traverser le filtre quadruple, tandis que d'autres sont emportés sous forme de molécules non chargées. En faisant varier les signaux électriques à un quadruple, il est possible de faire varier la plage du rapport masse / charge transmis. Cela rend possible le balayage spectral.
L'analyseur de secteur magnétique utilise un champ magnétique qui fait voyager les ions dans un chemin circulaire de 180, 90 ou 60 degrés. Initialement, les ions sont accélérés par la fente B dans le tube d'analyseur de métal. Des ions de masse différente peuvent être balayés à travers la fente de sortie en faisant varier l'intensité du champ de l'aimant ou le potentiel d'accélération entre la fente A et B. Les ions passant par la fente de sortie tombent sur une électrode de collecteur, ce qui entraîne un courant ionique qui est amplifié et enregistré.
Un spectromètre de masse à temps de vol utilise les différences de temps de transit à travers une région de dérive pour séparer les ions de masses différentes. Les ions de la source d'ions sont accélérés par une impulsion de champ électrique. Les particules accélérées passent ensuite dans un tube de dérive sans champ d'une longueur d'environ un mètre. Le principe essentiel de la spectrométrie de masse à temps de vol est que tous les ions sont accélérés à la même énergie cinétique. Leurs vitesses sont inversement proportionnelles aux racines carrées de leurs masses. Les ions plus légers de grande vitesse arrivent au détecteur plus tôt que les ions plus lourds de faible vitesse.
Le système de collecte d'ions mesure l'abondance relative des fragments d'ions de chaque masse. Plusieurs types de détecteurs sont disponibles pour les spectromètres de masse. Le détecteur utilisé pour la plupart des expériences de routine est le multiplicateur d'électrons. Un autre type de détecteur est celui des plaques photographiques recouvertes d'une émulsion de bromure d'argent, il est sensible aux ions énergétiques. Une plaque photographique peut donner une résolution plus élevée qu'un détecteur électrique.