SPECTROMÉTRIE DE MASSE

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Éléments constitutifs

L'unité de masse du système international (S.I.) est le kilogramme (kg). À l'échelle microscopique, d'autres unités sont plus pratiques. En physique nucléaire et en chimie, la masse s'exprime souvent par le nombre de masse A, qui par définition est un nombre entier. Pour un atome, il est égal à la somme du numéro atomique Z (nombre de protons) et du nombre de neutrons N du noyau : A = Z + N.

On se sert également en physique nucléaire de l'unité de masse atomique, l'uma, qui vaut 1/12 de la masse de l'atome de carbone 12C : 1 uma = 1,660 540 2 × 10—27 kg.

En chimie, cette unité porte le nom de dalton.

Bien que l'élément caractéristique d'un spectromètre de masse soit son système analyseur, le principe des éléments constitutifs est présenté en allant de l'introduction de l'échantillon jusqu'à la détection des ions séparés en masse.

Spectromètre de masse : principe

Dessin : Spectromètre de masse : principe

Schéma de principe d'un spectromètre de masse montrant la disposition des éléments constitutifs. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les systèmes d'introduction

Puisque l'analyse en masse est fondée sur les trajectoires des ions accélérés, il est important que celles-ci ne soient pas perturbées par les collisions des ions avec les molécules du gaz résiduel, d'où la nécessité de placer l'appareillage dans un vide dont la pression résiduelle soit comprise entre 10—4 et 10—7 Pa. L'échantillon à analyser, suivant son état physique : solide, liquide ou gaz, est introduit dans l'enceinte à vide au moyen d'un dispositif spécifique. Les solides sont introduits dans la source d'ions au moyen d'une canne qui franchit un sas étanche. Les liquides sont généralement vaporisés avant d'être introduits sous forme gazeuse. Les gaz sont d'abord transférés dans un réservoir vide d'air, ils pénètrent dans la source au moyen d'une microfuite réglable.

Les sources d'ions

La source d'ions produit, à partir de l'échantillon, des ions qui correspondent à ses différents atomes ou groupe d'atomes constitutifs. Suivant les méthodes mises en jeu, les molécules peuvent même être brisées en une grande diversité de fragments ionisés. L'étude de la structure des molécules organiques et biologiques nécessite de disposer de sources d'ions de différents types, qui fragmentent plus ou moins les molécules. La production exclusive d'ions monochargés est préférable car la présence d'ions multichargés complique l'identification des pics dans le spectre de masse. Une source d'ions peut être caractérisée par son rendement d'ionisation, son éventuelle sélectivité chimique, sa faculté de ne pas briser les grosses molécules (ionisation douce) ou encore d'être le siège de réactions ions-molécules. Une fois formés, les ions sont extraits de la zone d'ionisation et accélérés par des champs électriques à l'aide d'une optique de focalisation. Celle-ci, constituée de plaques portées à des potentiels réglables, guide les ions vers la fente-source.

Impact électronique

Cette source, fréquemment appelée source à gaz, est la plus répandue malgré son rendement limité. Les molécules de l'échantillon gazeux sont frappées par un faisceau d'électrons de 70 eV d'énergie cinétique, énergie à laquelle l'ionisation est la plus efficace pour les molécules organiques. Il se forme alors des ions positifs : A + e → A+ + 2e.

La probabilité des collisions est augmentée en spiralant la trajectoire des électrons à l'aide d'un champ magnétique coaxial. Le nombre d'ions formés est proportionnel à la pression de l'échantillon et au courant électronique : c'est une méthode quantitative. Si l'échantillon n'est pas gazeux, il peut être désorbé ou vaporisé à partir d'un filament chauffé ou d'un four. La variété des ions formés dépend de l'énergie cinétique des électrons, propriété utile pour l'étude des structures moléculaires.

Ionisation par plasma

C'est le type de source choisi lorsqu'il faut obtenir des courants ioniques de forte intensité, principalement pour la séparation isotopique. Le plasma résulte d'une décharge électrique dans un gaz à basse pression (de 10—2 à 10—1 Pa), confinée par un champ magnétique. Le plasma, électriquement neutre, est constitué d'ions positifs et d'électrons. La matière à ioniser est introduite dans le plasma sous forme gazeuse, l'ionisation se fait par collision ions-molécules. Le plasma peut être également créé par une source micro-onde (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry : I.C.P.M.S.). Dans ce cas, la température du plasma peut atteindre 10 000 K, une excellente efficacité d'ionisation est obtenue pour les ions monochargés. Cependant, ce type de source présente une f [...]

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Spectromètre de masse : principe

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Spectromètre de masse à analyseur magnétique

Spectromètre de masse à analyseur magnétique
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Spectre de masse

Spectre de masse
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Filtre de masse quadripolaire

Filtre de masse quadripolaire
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Écrit par :

  • : directeur de recherche au C.N.R.S., centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse (Institut national de physique nucléaire et de physique des particules)

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Pour citer l’article

Michel de SAINT SIMON, « SPECTROMÉTRIE DE MASSE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 12 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/spectrometrie-de-masse/