Analyseur temps de vol (TOF)

Analyseur à temps de vol

Un analyseur à temps de vol est également appelé  »Time of Flight » ou  »TOF ». Cet instrument possède plusieurs avantages, comme la vitesse d’analyse rapide, une transmission très élevée proche de 100%, la limite de haut m/z est aussi très élevée. L’analyseur à temps de vol a été inventé depuis de nombreuses années[1],[2] mais, il a été vite dépassé par d’autre analyseurs à l’époque, comme le quadripôle ou l’analyseur à secteur magnétique. Aujourd’hui avec les progrès électroniques, il est beaucoup plus performant et peut rivaliser aux autres analyseurs modernes avec ses avantages. Le principe de cet analyseur est simple, il repose sur le temps parcouru des ions dans un tube de vol. Au départ tous les ions reçoivent une même quantité d’énergie (plus ou moins, cela dépende de leurs positions initiales) qui les pousse vers le détecteur. Hors les ions n’ont pas les mêmes masses sur charge (m/z), ce qui entraine une différence d’accélération, par conséquent une différence de temps d’arrivée au détecteur (Figure 1). Le temps de vol des ions permet de mesurer le m/z des ions.

schéma d'analyseur temps de vol

Figure 1 : La différence de vitesse des ions qui n’ont pas les mêmes masses

Supposons que tous les ions sont produits au même moment et même position, chaque ion a une même énergie totale:

ET = Ep + Ec (Equation 1)

ET : énergie totale ; Ep : énergie potentiel ; Ec : énergie cinétique.

Energie potentiel d’un ion au point départ est équivalente à zeU

U : Différence de potentiel

Une fois sorti de la zone accélération, l’énergie potentielle est transformée en énergie cinétique.

equation 2

Le temps parcouru d’un ion dans le tube de vol : temps parcouru d'un ion

D : Longueur du tube de vol

equation 3 temps parcouru d'un ion dans le tube de vol

Les valeurs D, e, U étant des constants. La tension U n’est pas continue, elle fonctionne de manière pulsée par des courtes impulsions.  Selon l’équation 3, le temps parcouru des ions dépend uniquement la masse sur charge des ions, les ions ayant le m/z faibles ont un temps de vol plus court, ils vont arriver vers détecteur plus tôt. D’après cette équation, si m/z d’un ion est 4 fois plus grand qu’un autre ion, il a un temps parcouru 2 fois plus long. En mode linéaire, la résolution d’un analyseur à temps de vol est faible, car il dépend de la longueur du tube de vol, plus celui-ci est long, meilleur la résolution. Hors celui-ci ne peut être allongé de façon exagérée, en pratique, la longueur du tube de vol est compris entre 1 à 3m. De plus, les ions de même m/z n’ont pas la même position au départ, ils sont plus ou moins distancés du détecteur, entrainant une mauvaise résolution. Utiliser tel quel, un analyseur à temps de vol ne présent pas beaucoup d’avantage par rapport aux autres analyseurs présents sur le marché. Pour améliorer ses performances on emploie 2 méthodes, la première est l’extraction retardée (en anglais Delayed extraction), où les ions sont accélérés une deuxième fois, de ce fait les ions lents qui sont plus près de la zone d’accélération resterons plus longtemps dans la zone d’accélération, à la sortie de la zone d’accélération il acquit plus de vitesse et rattraperont les ions rapides. La deuxième méthode est l’utilisation du réflectron, ce sont des miroirs électrostatiques  qui ont pour effet d’allonger le parcourt des ions rapides qui réduit l’écart entre des ions de même masse sur charge. Regardons plus en détail ces deux méthodes.

Extraction retardée.

En raison de la dispersion des ions de même m/z, au moment d’impulsion où les ions n’ont pas la même position, ils sont plus ou moins proches du détecteur. Si on applique une seule impulsion, les ions les qui sont plus éloignés du détecteur sortiront plus tard de la zone d’accélération, mais avec une vitesse plus élevée et ils vont rapidement dépasser les ions lents (Figure 2a). Par conséquent le paquet d’ions de même m/z sera élargi à l’arrivée au détecteur, entrainant une mauvaise résolution. Pour remédier à ce problème, on utilise la méthode d’extraction retardée[3],[4] qui consiste à appliquer une deuxième impulsion avec un temps retard typiquement de quelques centaines nanoseconde. La deuxième impulsion a pour effet d’aider les ions lents à rattraper les ions rapides, l’idéal c’est qu’ils se rattrapent près de la zone du détecteur (Figure 2b). Cette méthode contribue à améliorer fortement la résolution, pour une gamme de masse donnée, l’amplitude d’impulsion est calculée en fonction de la gamme de masse, pour que les ions de même m/z dans cette gamme de masse se rejoignent près du détecteur. De ce fait ils vont être détectés en même temps. L’inconvénient de cette méthode c’est qu’il réduira la gamme de masse du spectre, sans utilisation de l’extraction retardée, tous les ions peuvent être détectés, avec l’extraction retardée, on ne peut détecter une gamme de masse donnée. De plus, la calibration est plus compliquée en utilisant cette méthode.

l'extraction retardée tof

Figure 2 : a) Sans extraction retardée, l’ion rouge reste plus longtemps dans la zone d’accélération, il acquerra une vitesse plus élevée et arrivé plus tôt au détecteur. b) une deuxième pulsation aidera l’ion bleu à avoir une vitesse plus élevée afin de rattraper l’ion rouge.

Le réflectron

Comme le tube de vol ne peut être allongé de façon exagérée, mais on peut allonger le trajet des ions en employant des miroirs électrostatiques, appelé réflectron, de cette façon les ions font un aller-retour dans le tube de vol permettant de doubler leur trajet. L’utilisation de réflectron a été proposée par Mamyrin[5] dans les années 70. Le réflectron constitue des lentilles électrostatiques sur lesquels est appliqué un gradient de tension. Les ions qui entrent dans cette zone seront ralentis puis s’arrêtent, et enfin ils font demi-tour, à la sortie de la zone des miroirs électrostatiques, les ions ont la même vitesse mais en direction opposée. De cette manière, le réflectron ne permet pas de corriger l’écart de vitesse entre les ions de même m/z, mais il corrige tout de même la dispersion dans l’espace (Figure 3). En effet, les ions ayant plus d’énergie cinétique, entrent dans la zone des miroirs électrostatiques plus profondément, par conséquents, leur trajet est plus long, finalement ils arriveront en même temps avec des ions initialement plus lents. L’utilisation de réflectron permet une meilleure résolution, mais il présent quand même un inconvénient, en utilisant le réflectron, les hauts m/z sont limités, car si un ion ayant un m/z trop élevé, il entre trop profondément dans le réflectron et il perdra dans la zone des miroirs électrostatiques.

le réflectron

Figure 3 : Deux ions a et b de même m/z, l’ion b est plus rapide que l’ion a, il entre plus profondément dans le réflectron ce qui s’allonge son trajet, finalement il arrive au détecteur en même temps que l’ion b.

Post source decay (PSD)

La fragmentation dans les analyseurs à temps de vol est moins efficace par rapport aux autres spectromètres de masse, d’abord la détection des ions fragments est possible seulement si la décomposition des ions précurseurs a lieu entre la source et le réflectron, si celle-ci ait lieu après le réflectron, il est impossible de séparer les ions fragments et les ions précurseurs,  car tous les ions fragments arrivent au détecteur au même moment que les ions précurseurs. Ils seront enregistrés comme ions précurseurs. De plus la calibration en mode PSD, est très compliquée, au lieu d’avoir une équation simple comme.  équation calibration analyseur temps de volDans laquelle, on peut calibrer avec seulement 2 points en mode calibration linéaire. Mais la situation se complique dans le cas de PSD, et exige de connaitre les paramètres de l’appareil et les intégrer dans l’équation. En pratique, l’exactitude en masse en mode PSD est mauvaise, ainsi que la résolution. Une des raisons les plus importantes qui contribuent à la complication dans le cas de PSD, c’est que la décomposition de l’ion précurseur, libère aussi énergie interne dans toutes les directions (Figure 4), ce phénomène contribue à élargir le nuage d’ions fragments, entrainant une mauvaise résolution. De plus, en mode PSD il faut attendre la décomposition des ions précurseurs se fait naturellement dans la zone entre la source et le réflectron, hors la source MALDI, et électrospray qui sont les plus utilisées avec l’analyseur à temps de vol, sont les sources d’ionisation douce, la décomposition naturelle est donc moins efficace, la plupart les ions précurseurs survit jusqu’au détecteur ou au moins après le réflectron. Dans les analyseurs à temps de vol, l’isolement des ions précurseurs est appliqué par une tension pour éliminer tous les ions, cette tension est arrêtée une courte durée correspondant au passage des ions précurseurs d’intérêt. Pour augmenter l’efficacité de spectrométrie de masse en tandem dans les analyseurs à temps de vol, on peut ajouter une cellule de collision, dans ce cas les ions sont décélérés avant d’entrer dans la cellule de collision et puis ré-accéléré à la sortie de la cellule. Dans ce mode d’activation on peut considérer la cellule de collision comme une deuxième source, et on peut contrôler l’énergie de collision. Il faut noter que, les spectromètres de masse à analyseurs temps de vol équipé d’une cellule de collision sont appelés TOF/TOF pour différentier ceux équipés seulement d’un réflectron.

post source decay tof

Figure 4 : Spectrométrie de masse en tandem en mode PSD, les ions parents de même m/z, libèrent les mêmes ions fragments mais la libération des ions fragments contribue une énergie cinétique dans des directions différentes.

Injection orthogonal

L’analyseur à temps de vol exige que les ions soient produits en parquet, il est donc, incompatible avec les sources d’ions continue comme la source électrospray. Par conséquent, le couplage entre les spectromètres de masse à analyseur temps de vol et la chromatographie en phase liquide ou gazeuse n’est pas possible. Pour détourner ce problème, on utilise la source d’ions continue mais la divise en plusieurs portions, et on obtient des parquets d’ions. La manière la plus simple est de diviser les ions produits en continue et de remplir les ions dans une espace, une fois cet espace est rempli, on la vide en appliquant une impulsion, et de nouveau remplir cette espace.  Par contre, il faut éviter que les ions soient dispersés en espace et énergie cinétique, en direction du détecteur, pour ce faire, on injecte les ions en continue dans la direction (x) perpendiculaire avec la direction des ions (z) qui seraient pulsés, dans l’analyseur à temps de vol (Figure 5). Cette technique est appelée injection orthogonale[6]. En entrant dans l’analyseur à temps de vol selon l’axe x, les ions n’ont pas d’énergie cinétique en direction z, par contre ils conservent leur énergie cinétique selon la direction x, par conséquent, l’injection orthogonale n’est pas tout à fait perpendiculaire. Malgré les précautions (une largeur fine du faisceau d’ion), la position des ions sont dispersés dans l’espace selon l’axe z, mais la technique extraction retardée, et des miroirs électrostatiques (le réflectron) permettent de minimiser ce problème.  L’injection orthogonale n’est pas seulement utilisée pour injecter les ions directement de la source d’ions, elle permet également de coupler avec succès l’analyseur à temps de vol et le quadripôle (QqTOF). Dans ce cas, l’analyseur à temps de vol fonctionne comme le troisième quadripôle dans l’analyseur triple quadripôle, l’avantage de ce système est la meilleure résolution du temps de vol comparé au quadripôle. La résolution de ce spectromètre de masse hybride peut atteindre jusqu’à 10000 FWHM, pendant que le triple quadripôle offre seulement une résolution environ 2000 FWHM. La technique injection orthogonale n’est pas seulement appliquée aux sources d’ions continu, elle peut être utilisée avec la source d’ion MALDI ((oMALDI)-TOF) pour minimiser la dispersion cinétique dans la direction z, causé par le tir laser dans la source d’ion MALDI. De plus, le système MALDI-QqTOF permet de d’appliquer la collision des ions produits par MALDI, et offre une meilleure efficacité que la technique Post source decay (PSD). Cette méthode présente quand même un inconvénient, c’est la transmission est loin d’être 100% comme le cas de MALDI-TOF.

injection orthogonale dans l'analyseur temps de vol

Figure 5 : Schéma d’un spectromètre hybride QqTOF, la direction des ions dans le tube de vol n’est pas tout à fait perpendiculaire pour tenir en compte la vitesse des ions selon l’axe x.

Communauté française de spectrométrie de masse

[1] Stephens, W. E.  Phys. Rev. 1946, 69, 691

[2] Paul, W.; Steinwedel, H. Z. Naturforsch. 1953, 8A, 448–450.

[3] Delayed extraction matrix-assisted laser desorption time-of-flight mass spectrometry M.L Vestal

[4] Delayed extraction for improved resolution of ion/surface collision products by time-of-flight mass spectrometry, Lisa L. Haney, Donald E. Riederer

[5] The mass-reflectron, a new nonmagnetic time of flight mass spectromter with high resolution B.A Mamyrin 1993

[6] An introduction to quadrupole–time-of-flight mass spectrometry Igor V. Chernushevich,∗ Alexander V. Loboda and Bruce A. Thomson


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