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TECHNIQUE INSTRUMENTALE 44 SPECTRA ANALYSE n° 248 • Janvier-février-mars 2006 D

TECHNIQUE INSTRUMENTALE 44 SPECTRA ANALYSE n° 248 • Janvier-février-mars 2006 Développement M. Heninger1, L. Clochard2, H. Mestdagh2, G. Mauclaire1, P. Boissel2 et J. Lemaire2 1 AlyXan - centre Hoche - 3, rue Condorcet - 91160 Juvisy 2 LCP - UMR8000 CNRS - Université Paris Sud 11 - Bât. 350 - 91405 Orsay FTICR-MS transportable pp pp I - Introduction Parmi les diﬀ érentes méthodes d’analyse de mé- langes complexes, la spectrométrie de masse cons- titue d’ores et déjà une technique très usitée et sera appelée à prendre de plus en plus d’importance dans les années qui viennent. Dans ce cadre la spectrométrie de masse à transformée de Fourier aussi nommée FTICR-MS (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry) dispose de nombreux atouts : • Elle permet d’obtenir une résolution en masse très élevée ce qui permet d’éviter les interférences entre les composés de même masse nominale. • La détermination des masses absolues se fait avec une grande précision. Ainsi il est possible de mesurer les masses exactes des molécules ce qui est souvent essentiel pour l'identiﬁ cation de com- posés inconnus. • Chaque acquisition fournit une mesure du spec- tre de masse complet. Tous les composés sont pris en compte, sur une gamme de masse large et l’uti- lisateur est assuré ne pas passer à côté d’une molé- cule inattendue. II - Pourquoi a-t-on besoin de la haute résolution ? La spectrométrie de masse est une technique très sensible et performante. Toutefois si la résolution en masse des spectromètres de masse transpor- tables permet de séparer des ions moléculaires diﬀ érant par leur masse nominale (par exemple N2 + et N2H+), elle ne permet pas de séparer des composés de même masse nominale et de com- position chimique diﬀ érente qui ont pourtant des masses exactes diﬀ érentes. Ainsi pour diﬀ érencier un CH4 16,0312 u d’un atome d’oxygène 15,9949 u, il faut pouvoir détecter une diﬀ érence de masse de 0,0363 u, pour diﬀ érencier 2 oxygènes d’un soufre il faut 0,0178 u. Même pour des molécules de petite masse (m/z<100), il existe de nombreuses possibilités de doublets, voire de triplets (comme par exem- ple, N2 +, CO+, C2H4 +) d’ions possédant des masses quasi identiques. Une grande résolution et une grande précision sur la détermination des masses constitue donc un élément clé pour l’analyse de mélanges complexes. RÉSUMÉ Cet article présente de nouveaux développements instrumentaux réalisés en spectrométrie de masse à transformée de Fourrier (FTICR-MS) à bas champ. Ces instruments basés sur des aimants permanents gardent les points forts de la FTICR-MS : très haute résolution en masse, technique en piège, tout en étant compacts, robustes, transportables avec un coût très inférieur. MOTS-CLÉS FTICR-MS, haute résolution en masse, PTRMS, aimant permanent, piège magnétique, ppb Transportable FTICR-MS SUMMARY This paper illustrates new developments in Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (FTICR- MS) at low magnetic ﬁ eld. With instruments based on permanent magnets the high performances characteristic of FTICR-MS (high resolution, trapping) are obtained in a compact, robust and low price instrument. KEYWORDS FTICR-MS, high resolution, PTRMS, permanent magnet, magnetic trap, ppb Technique instrumentale 45 SPECTRA ANALYSE n° 248 • Janvier-février-mars 2006 FTICR-MS transportable III- Spectrométrie de masse FTICR-MS 1. Principe de la FTICR La FTICR est une technique en piège magnéti- que (1). Les ions sont conﬁ nés dans le piège par la combinaison d’un champ magnétique et d’un champ électrostatique. Le piège peut être utilisé à la fois comme chambre de réaction et comme analyseur en masse. En présence du champ magnétique les ions ont un mouvement de rotation appelé mouvement cyclo- tron dont la fréquence est caractéristique de leur rapport masse sur charge. Le principe de la détec- tion consiste à mesurer ces fréquences. Pour pou- voir détecter les ions il faut préalablement les exci- ter à l’aide d’un champ électrique radiofréquence. L’action de ce champ donne de l’énergie au mou- vement cyclotron, porte les ions sur des orbites de grand rayon et rend cohérent le mouvement de rotation des ions de même rapport masse sur charge. On mesure alors le courant image induit par les ions dans le circuit de détection. Ce signal contient l’ensemble des fréquences cyclotron des ions. Après transformation de Fourier on obtient le spectre en fréquence auquel il faut appliquer une loi de calibration pour passer du spectre en fréquence au spectre de masse. Si la durée de détection est assez longue devant la période de rotation des ions, cette mesure sera réalisée avec une très grande précision. Typique- ment une durée de détection de 1 seconde est né- cessaire pour obtenir un spectre haute résolution. La résolution est déﬁ nie comme le rapport de la largeur à mi-hauteur du pic sur la masse, Δm/m. Pour obtenir un spectre haute résolution, il faut : • enregistrer le signal de la rotation des ions pen- dant un temps assez grand ; • digitaliser ce signal avec suﬃ samment de points ; • utiliser un champ magnétique intense et homo- gène. Pour fournir une mesure absolue des masses la loi de calibration utilisée doit être précise. En présen- ce du seul champ magnétique la fréquence cyclo- tron exprimée en Hz est donnée par l’équation a). a) cyclotron= ezB/2πm avec e la charge (1,6 10-19 C), z le nombre de charge, B l’intensité du champ ma- gnétique, m la masse de l’ion. En présence du champ électrostatique de piégeage il faut utiliser une loi à deux ou trois paramètres (a, b, c) telle qu’exprimée par b) : b) =a/m+b/m2+c/m3 Et des termes supplémentaires peuvent être né- cessaires pour tenir compte des interactions ion- ion. 2. Spectromètres FTICR-MS Jusqu’à présent la FTICR-MS, bien que reconnue comme une technique extrêmement performan- te, est restée limitée à des appareils très haut de gamme dont la taille, le poids et le prix sont éle- vés. Son domaine d’application de prédilection est la protéomique où la précision sur la mesure des masses des fragments de digestion des protéines est un facteur clé pour leur identiﬁ cation. La frag- mentation dans le piège induite par absorption multiphotonique infrarouge (IRMPD) (2) ou par collision avec des électrons lents (ECD) est éga- lement possible et permet l’analyse de complexes non-covalents ou la localisation de modiﬁ cations post-translationnelles. Ces performances très élevées nécessitent l’utili- sation d’aimants supraconducteurs dont le poids est supérieur à la tonne. Le cryostat doit être ap- provisionné en ﬂ uides de refroidissement (hélium et azote liquide), et des règles de sécurité strictes doivent être respectées en raison du champ ma- gnétique intense. L’entretien doit être régulier et son coût est élevé. Trois acteurs sont présents sur ce marché : les sociétés Bruker Daltonics, Th ermo Electron et IonSpec. Il apparaît toutefois possible aujourd’hui de con- cevoir des instruments plus compacts, robustes, transportables et moins coûteux mais gardant les atouts de la FTICR-MS. Ces nouveaux développe- ments s’appuient sur un choix technologique radi- calement diﬀ érent au niveau du principal élément de l’instrument : l’aimant. Les progrès réalisés dans le domaine des aimants permanents permettent aujourd’hui le développe- ment d’une nouvelle génération de spectromètres FTICR-MS plus compacts, robustes, transporta- bles et moins coûteux mais gardant les atouts de la FTICR-MS. Les avantages sont nombreux : l’utilisation d’un cryostat n’est plus nécessaire, ce qui réduit de façon drastique les coûts de fonctionnement. Le transport de l’appareil devient possible : seule une prise de courant est nécessaire à son fonctionne- ment, avec une consommation totale de l’ordre du kilowatt. Une alimentation sur batterie, ou via un groupe électrogène, lors du transport, apparaît réaliste et ouvre la possibilité d’eﬀ ectuer des me- sures en pleine nature. 3. Un aimant au design particulier Les performances de l’appareil sont fortement liées aux caractéristiques de l’aimant. Les deux paramètres clés sont l’intensité et l’homogénéité du champ magnétique. Pour obtenir de bons ré- sultats l’intensité du champ magnétique doit être supérieure à 1 Tesla, avec une homogénéité infé- rieure à 10-3 dans le volume parcouru par les ions lors de la détection. Avec une cellule cubique de 2 cm de coté le champ magnétique doit être opti- misé dans un volume de l’ordre de 8 cm3. Un champ magnétique répondant à ces critères peut être obtenu en utilisant des alliages à base de terres rares qui permettent d’obtenir des aimants permanents de très bonne qualité. Parmi ces ma- tériaux les alliages à base de Néodyme-Fer–Bore REMERCIEMENTS AlyXan et l’équipe du LCP souhaitent remercier L. Courthaudon et Nicolas Bou- ton (société AlyTech) ainsi que G. Bellec pour leur aide dans le déve- loppement des instruments. TECHNIQUE INSTRUMENTALE 46 SPECTRA ANALYSE n° 248 • Janvier-février-mars 2006 peuvent être fortement magnétisés. La production d’un champ intense et homogène dans le volume de la cellule d’analyse peut s’ap- puyer sur l’utilisation de segments magnétisés or- ganisés suivant une structure de Halbach (3), dans laquelle l’aimantation tourne régulièrement d’un segment à l’autre. (voir ﬁ gure 1). Cet assemblage qui se présente sous la forme d’un cylindre pro- duit un champ homogène et intense dans le cy- lindre et un champ résiduel uploads/Management/ sa248-44-49.pdf