Introduction à la spectrométrie de masse
Source : Laboratoire du docteur badria Al-Jamal - College London Kings
Spectrométrie de masse est une technique de chimie analytique qui permet l’iden…
1. nettoyage des Tubes en Polycarbonate
- Utilisez les tubes en polycarbonate résistants aux solutions acides pour la digestion de l’échantillon. Afin d’éliminer toute trace de contamination de fer, remplissez tous les tubes avec 5 mL d’HCl 0,1 de M.
- Placer les tubes dans un bain-marie pendant 1 h à 50 ° C.
- Laver les tubes avec 5 mL d’eau Milli-Q et assécher les tubes dans une hotte de four ou de produit chimique.
2. préparation des échantillons et Digestion
- Place 200 µL de l’échantillon en 1,8 mL d’acide nitrique concentré (65 %).
- Placer les tubes dans un bain d’eau pendant une nuit à 50 ° C. Ajustez le protocole en augmentant la température si une réduction de la durée de la digestion totale est nécessaire.
- Laissez que les tubes refroidissent à température ambiante.
- Diluer les échantillons en ajoutant 8 mL d’eau Milli-Q pour obtenir un beuglement de concentration finale en acide nitrique 20 % (v/v).
- Centrifuger les tubes à 3 000 x g pendant 10 min granuler tout résidu macroscopique restants.
3. préparation de l’Instrument
- Nettoyer le flambeau de l’ICP à l’aide de sonication à 5 % d’acide nitrique pour 15 min. essuyer cônes 5 % d’acide nitrique. Changer le tuyau péristaltique. Vérifier le niveau d’huile de la pompe.
- Allumez l’argon et le refroidisseur, commencer à plasma. Commencer le débit des liquides dans le plasma et attendez pour instrument à se stabiliser, environ 20 min.
- Optimiser les tensions de la lentille. Desservent quotidiennement la vérification de la performance en mesurant des solutions de test contenant Mg, dans et votre pour confirmer la sensibilité de l’instrument de l’ICP-MS. Mesurer Ce et Ba où la forme oxydée et doubles ions chargés devraient rester inférieur à 3 %. Vérifier la masse à 8 et 220 Da pour mesurer le signal de fond.
- L’instrument est maintenant prêt à l’emploi.
4. sélection de la méthode et la liste d’exemples de l’utilisateur
- Sélectionnez l’élément et les isotopes de l’intérêt.
- Sélectionnez mode de balayage comme pic de saut.
- Choisir un temps de pause de 100 ms (minimum 50) avec 40 balayages (15 minimum) par la lecture. Sélectionnez une lecture par réplicat et 5 réplique (minimum 3). Le temps d’intégration totale est de 4 000 m si la quantité d’échantillon est limitée, réduire les temps de pause, nombre de balayages et de répétitions en gardant les valeurs supérieures aux valeurs minimales définies ci-dessus.
- Utiliser un débit de l’ammoniac (NH3) à 0,7 mL/min pour éviter l’interférence de 40Ar16O sur la détermination des 56Fe.
- Préparer la courbe d’étalonnage pour les éléments de choix.
- Exécuter les exemples.
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La spectrométrie de masse est une technique analytique qui permet d’identifier et de quantifier des composés inconnus dans un échantillon, ainsi que de déterminer leur structure.
En spectrométrie de masse, les ions en phase gazeuse sont générés à partir des atomes ou des molécules d’un échantillon. Les ions sont ensuite séparés en fonction de leur rapport masse/charge, symbolisé par m/z.
Cette séparation permet de déterminer des informations quantitatives et qualitatives sur un échantillon, telles que sa masse et sa structure.
Cette vidéo présentera les concepts de base et l’instrumentation de la spectrométrie de masse, et démontrera son utilisation dans la quantification des éléments.
Un spectromètre de masse est composé d’une source d’ionisation, d’un analyseur de masse et d’un détecteur. À la source d’ionisation, les composés sont ionisés, généralement à une seule charge positive.
Les ions peuvent être générés à l’aide de diverses techniques, telles que l’impact avec un faisceau d’électrons, le plasma ou les lasers, chacune entraînant une gamme de fragmentations qui aident à déterminer la structure moléculaire. Ces méthodes sont vaguement regroupées en ionisation « dure » et « douce ».
Les techniques d’ionisation dure provoquent une fragmentation étendue, ce qui entraîne un plus grand nombre de fragments de masse inférieure.
Les techniques d’ionisation douce entraînent une fragmentation moindre, voire presque nulle, avec une gamme de masse moléculaire élevée.
Si la fragmentation est trop importante, des informations précieuses sur la structure peuvent être perdues. Si c’est trop peu, les petites molécules ne seront pas ionisées efficacement. Ainsi, le choix d’une méthode d’ionisation dépend de l’analyte d’intérêt et du degré de fragmentation souhaité.
Les ions sont ensuite accélérés dans un champ électrique lorsqu’ils entrent dans l’analyseur de masse, où ils seront séparés.
L’analyseur de masse le plus basique est un secteur magnétique, qui est composé d’un aimant incurvé qui produit un champ magnétique homogène. La force d’attraction de l’aimant, ainsi que la force centrifuge des ions en accélération, les font se déplacer dans un chemin circulaire à travers la courbe.
Le rayon du trajet circulaire des ions dépend de la tension d’accélération, du champ magnétique appliqué et du rapport masse/charge.
La tension et le champ magnétique peuvent ensuite être sélectionnés pour n’autoriser que certaines espèces de rapport masse/charge à travers le chemin incurvé. D’autres ions s’écrasent sur les côtés de la voie magnétique et sont perdus. En balayant l’intensité du champ magnétique, les ions souhaités atteignent le détecteur à différents moments, identifiant ainsi chaque espèce avec précision.
Un autre type d’analyseur de masse est le filtre de masse quadripolaire. Le quadripôle se compose de deux paires de tiges métalliques parallèles, chaque paire de tiges opposées étant reliée électriquement.
Une tension de courant continu est appliquée aux paires de tiges, et leurs potentiels alternent en permanence de sorte que les paires sont toujours déphasées l’une par rapport à l’autre.
Le faisceau d’ions est ensuite dirigé à travers le centre des quatre tiges. Les ions se déplacent en forme de tire-bouchon, en raison de l’attraction et de la répulsion constantes des tiges. En fonction du rapport masse/charge des ions, l’ion parcourra soit toute la trajectoire du quadripôle et atteindra le détecteur, soit s’écrasera sur les bâtonnets.
Maintenant que les bases du spectromètre de masse ont été décrites, jetons un coup d’œil à son utilisation en laboratoire.
Le spectromètre de masse utilisé dans cette expérience est un ioniseur à plasma à couplage inductif, ou ICP, avec un filtre quadripolaire. L’instrument sera utilisé pour détecter et quantifier un composant métallique dans un échantillon.
Pour commencer l’expérience, remplissez tous les tubes de polypropylène avec 5 mL d’acide chlorhydrique 0,1 M afin d’éliminer toute trace contaminante de fer. Placez les tubes dans un bain-marie pendant 1 h à 50 °C.
Après l’incubation, lavez les tubes avec 5 mL d’eau déminéralisée et séchez-les dans un four ou une hotte chimique.
Dans les tubes propres, ajouter 1,8 mL d’acide nitrique concentré et 200 ? L de l’échantillon contenant l’isotope d’intérêt.
Suivez les précautions de sécurité lors de l’utilisation d’acide concentré.
Placez les tubes dans un bain-marie pendant la nuit. La température peut être augmentée pour raccourcir le temps de digestion, si nécessaire.
Une fois l’échantillon digéré, laissez les tubes refroidir à température ambiante.
Ensuite, ajoutez 8 mL d’eau déminéralisée pour diluer les échantillons et obtenir une concentration d’acide nitrique inférieure à 20 %. La dilution finale de l’échantillon est de 1/50. La concentration idéale pour l’ICP est de l’ordre des parties par milliard. Centrifugez les tubes pour granuler les résidus macroscopiques restants.
L’ICP est une méthode d’ionisation dure qui utilise un plasma d’argon couplé à environ 10 000 ? C qui est électriquement conducteur pour ioniser les molécules de l’échantillon.
Commencez l’installation de l’instrument en inspectant la torche ICP pour vous assurer qu’elle est propre.
Ensuite, inspectez les cônes de l’échantillonneur et de l’écumeur pour vous assurer qu’ils sont également propres. Ces cônes ne permettent d’échantillonner que la partie interne du faisceau d’ions généré par la torche ICP et agissent comme une barrière contre le vide poussé du spectromètre de masse.
Vérifiez la pression d’argon et démarrez le refroidisseur. Démarrez le flux de plasma et de liquide dans le système. Attendez 20 minutes pour que le système se réchauffe complètement.
Ensuite, aspirez une solution d’essai standard, qui contient divers étalons élémentaires connus. La solution d’essai doit être choisie de manière à couvrir la plage de masse attendue de la solution d’analyte.
Lorsque le flux de solution est établi, initialisez et testez l’instrument conformément aux directives du fabricant.
Pour faire fonctionner l’instrument, sélectionnez d’abord les éléments et les isotopes qui vous intéressent. Réglez ensuite le mode de balayage sur le saut de pointe.
Sélectionnez cinq répétitions par mesure. Réglez chaque répétition pour qu’elle contienne 40 balayages de mesure, chaque balayage avec un temps de séjour de 50 ms. Le temps d’intégration total est de 2 000 ms par répétition.
Préparez une courbe d’étalonnage pour les éléments choisis en mesurant des solutions étalons préparées à l’avance.
Enfin, analysez l’échantillon, dans ce cas, des nanoparticules d’oxyde de fer. Déterminer la concentration de fer à l’aide de la courbe d’étalonnage du fer.
La spectrométrie de masse est utilisée dans un large éventail d’applications à l’aide de diverses techniques d’ionisation et d’analyse de masse.
Dans cet exemple, un type de spectrométrie de masse à ionisation douce, appelé MALDI-TOF, a été utilisé pour analyser les protéines de haut poids moléculaire. Avec MALDI, les molécules sont stabilisées à l’aide d’une matrice, afin de diminuer le fractionnement lorsque les grosses molécules sont ionisées.
La solution protéique et la matrice ont toutes deux été repérées sur la plaque MALDI propre et séchées. La plaque MALDI a été insérée dans l’instrument et l’échantillon a été analysé.
L’analyse des composés volatils et sensibles à l’oxydation a été mesurée à l’aide de la spectrométrie de masse à ionisation électronique, une technique d’ionisation dure.
Tout d’abord, un système de tube verrouillable a été conçu afin de permettre l’évacuation complète du tube, suivi d’un chargement de l’échantillon sous refroidissement par de l’azote liquide.
Le tube d’échantillon a été connecté à l’orifice d’entrée et l’échantillon a été chargé dans l’instrument. Le spectre de masse de l’échantillon, en l’occurrence le phosphate de tris(trifluorométhyle), a ensuite été analysé.
Un spectromètre de masse à faisceau moléculaire couplé au rayonnement synchrotron a été utilisé pour explorer la structure électronique des molécules et des amas en phase gazeuse.
Le faisceau moléculaire, intégré au rayonnement synchrotron, a fourni une méthode d’ionisation sélective pour sonder les molécules en phase gazeuse.
L’échantillon a été chargé dans la buse, la tuyère rechargée dans l’instrument et le faisceau de photons a pu entrer dans la chambre.
Le spectre de masse a ensuite été collecté et comparé aux données d’efficacité de photoionisation afin de déterminer la structure électronique des molécules.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la spectrométrie de masse. Vous devez maintenant comprendre l’instrumentation de base de la spectrométrie de masse et comment effectuer une analyse de base basée sur la spectrométrie de masse.
Merci d’avoir regardé !
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Q1: What are the three main components of a mass spectrometer?
A mass spectrometer consists of an ionization source, a mass analyzer, and a detector. The ionization source converts sample compounds into gas phase ions, usually with a single positive charge. The mass analyzer separates ions based on their mass-to-charge ratio, and the detector measures the relative abundance of each ion type to generate the mass spectrum.
Q2: How do hard and soft ionization techniques differ in mass spectrometry?
Hard ionization techniques cause extensive fragmentation, producing many fragments of lower mass that aid in determining molecular structure. Soft ionization techniques result in little or almost no fragmentation, preserving high molecular mass ions. The choice depends on the analyte and desired fragmentation level, as excessive fragmentation can lose structural information while insufficient ionization may fail to detect small molecules.
Q3: What is the function of a magnetic sector in a mass analyzer?
A magnetic sector uses a curved magnet to produce a homogeneous magnetic field that separates ions based on their mass-to-charge ratio. Ions travel in a circular path determined by accelerating voltage, magnetic field strength, and m/z ratio. By scanning the magnetic field, specific ions reach the detector at different times, enabling precise identification of each species.
Q4: How does a quadrupole mass filter separate ions?
A quadrupole consists of two pairs of parallel metal rods with alternating direct current voltages that keep the rod pairs out of phase. Ions travel through the center in a corkscrew-like path due to constant attraction and repulsion from the rods. Depending on mass-to-charge ratio, ions either traverse the full path to reach the detector or crash into the rods and are lost.
Q5: What role does inductively coupled plasma play in mass spectrometry analysis?
Inductively coupled plasma (ICP) is a hard ionization method using argon plasma at approximately 10,000°C to ionize sample molecules. The plasma dries aerosol droplets, dissociates molecules, and removes electrons from components for detection. ICP-MS is commonly used to detect and quantify metal elements in samples, such as iron in nanoparticles, with calibration curves principles and applications guiding quantitative analysis.
Q6: Why is sample preparation important before ICP-MS analysis?
Sample preparation removes contaminating trace elements and ensures proper sample digestion. Samples are treated with hydrochloric acid to remove iron contamination, then digested in concentrated nitric acid overnight. The digested sample is diluted to achieve ideal parts-per-billion concentration range and centrifuged to remove residues, ensuring accurate detection and quantification of target elements.
Q7: What are common applications of different mass spectrometry ionization methods?
Matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight (MALDI-TOF) is a soft ionization technique used to analyze high molecular weight proteins by stabilizing molecules with a matrix. Electron ionization is a hard ionization technique for analyzing volatile and oxidation-sensitive compounds. Synchrotron radiation coupled with molecular beam mass spectrometry selectively ionizes gas phase molecules to explore their electronic structure.