Mass spectrometry
Technique mesurant les rapports masse/charge des ions pour l'analyse chimique.
La spectrométrie de masse (SM) est une technique analytique qui mesure le rapport masse/charge des ions, présentant les résultats sous forme de spectre de masse — un graphique de l'intensité du signal en fonction de ce rapport. Ce spectre est utilisé pour déterminer la signature élémentaire ou isotopique d'un échantillon, les masses des particules et des molécules, et pour élucider l'identité ou la structure chimique. La technique est appliquée dans de nombreux domaines, aussi bien à des échantillons purs qu'à des mélanges complexes.
Dans une procédure typique, un échantillon solide, liquide ou gazeux est ionisé, souvent par bombardement avec un faisceau d'électrons. Cela peut provoquer la fragmentation des molécules en fragments chargés positivement ou leur chargement positif sans fragmentation. Ces ions sont ensuite séparés selon leur rapport masse/charge, généralement en les accélérant à travers des champs électriques ou magnétiques, qui dévient également les ions de même rapport. Un détecteur, tel qu'un multiplicateur d'électrons, capture les particules chargées, et les données obtenues sont affichées sous forme de spectre. L'identification des atomes ou des molécules est réalisée en corrélant des masses connues ou des motifs de fragmentation caractéristiques.
L'histoire de la SM a commencé en 1886 lorsque Eugen Goldstein a observé des « rayons canaux » chargés positivement s'éloignant de l'anode dans des décharges gazeuses. Wilhelm Wien a ensuite utilisé des champs électriques et magnétiques perpendiculaires pour séparer ces rayons selon le rapport charge/masse, et J. J. Thomson a amélioré l'appareil en réduisant la pression, créant le spectrographe de masse. Les premiers instruments enregistraient les spectres sur des plaques photographiques ou utilisaient des écrans au phosphore. Les techniques modernes ont été conçues par Arthur Jeffrey Dempster et F.W. Aston en 1918 et 1919. Les spectromètres de masse sectoriels appelés calutrons, développés par Ernest O. Lawrence, ont été utilisés pour l'enrichissement de l'uranium pendant le projet Manhattan. Des innovations ultérieures ont inclus la technique du piège à ions, récompensée par un prix Nobel de physique en 1989, et l'ionisation par électrospray et la désorption laser douce, qui ont valu un prix Nobel de chimie en 2002 pour leur application aux macromolécules biologiques.
Un spectromètre de masse comprend cinq composants : une entrée d'échantillon, une source d'ions, un analyseur de masse, un détecteur et un système de données. L'entrée prépare l'échantillon ; la source d'ions convertit une partie en un flux d'ions ; l'analyseur de masse sépare les ions selon le rapport masse/charge ; et le détecteur mesure les abondances, fournissant parfois des informations spatiales.
Quick Facts
- Field
- Analytical chemistry, physics
- Known for
- Measuring mass-to-charge ratio of ions; identifying chemical composition and isotopic ratios
- Key inventors
- Eugen Goldstein
- Wilhelm Wien
- J. J. Thomson
- Arthur Jeffrey Dempster
- F.W. Aston
- Ernest O. Lawrence
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Contexte et histoire
La spectrométrie de masse est une technique analytique utilisée pour déterminer le rapport masse/charge des ions. Les résultats sont présentés sous forme de spectre de masse, un graphique de l'intensité en fonction du rapport masse/charge, qui est utilisé pour identifier la composition élémentaire ou isotopique d'un échantillon, les masses des particules et des molécules, et la structure chimique des composés. Dans une procédure typique, un échantillon solide, liquide ou gazeux est ionisé, souvent par bombardement avec un faisceau d'électrons, ce qui peut provoquer la fragmentation des molécules en fragments chargés positivement ou leur chargement positif sans fragmentation. Ces ions sont ensuite séparés selon leur rapport masse/charge, par exemple en les accélérant à travers des champs électriques ou magnétiques, où les ions de même rapport subissent la même déviation. Détectés par un mécanisme tel qu'un multiplicateur d'électrons, les ions produisent un spectre de l'intensité du signal en fonction du rapport masse/charge. Les atomes ou les molécules sont identifiés en corrélant des masses connues ou des motifs de fragmentation caractéristiques. L'instrument comprend cinq composants : une entrée d'échantillon, une source d'ions, un analyseur de masse, un détecteur et un système de données. La source d'ions convertit une partie de l'échantillon en un flux d'ions, qui est ensuite séparé par l'analyseur de masse selon le rapport masse/charge. Le détecteur mesure l'abondance de chaque ion, et certains détecteurs fournissent également des informations spatiales.
Guide du lecteur
La spectrométrie de masse est une technique analytique fondamentale d'une grande importance. Elle permet l'identification des éléments, des isotopes et des structures moléculaires en mesurant les rapports masse/charge des ions. Son développement s'étend sur plus d'un siècle, des rayons canaux de Goldstein aux méthodes d'ionisation modernes permettant l'analyse de grosses biomolécules comme les protéines. La flexibilité de la technique est évidente dans ses cinq composants — entrée d'échantillon, source d'ions, analyseur de masse, détecteur et système de données — chacun étant indépendamment variable. Les applications vont des échantillons purs aux mélanges complexes, y compris le couplage avec la chromatographie en phase gazeuse (GC-SM) ou la chromatographie liquide (HPLC-SM). Le rôle du calutron dans l'enrichissement de l'uranium pendant le projet Manhattan souligne son impact historique. Les prix Nobel décernés pour la technique du piège à ions et les techniques d'ionisation douce soulignent son évolution continue. La spectrométrie de masse reste essentielle en chimie, physique, biologie et médecine pour une analyse précise de la composition et de la structure.
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