Ionisation chimique

Ionisation chimique et APCI

L’ionisation chimique (CI)[1][2] est une méthode complémentaire de l’impact électronique (IE). Étant donné que la source d’ions impact électronique est trop énergétique, causant la fragmentation des ions moléculaire, par conséquent, l’information de la masse moléculaire peut être manquante. Le principe de base de l’ionisation chimique est d’ioniser les molécules neutres (Méthane, butane, ammoniac…) par impact électronique. Une fois les molécules sont ionisées, elles échangent la charge avec les analytes. De cette manière, les analytes sont protégées du faisceau d’électrons, l’ionisation chimique est donc une méthode douce par rapport à l’impact électronique. Les sources d’ions CI sont très semblables à la source IE, en fait, les sources d’ions modernes sont construits en combinant EI/CI et peuvent switcher facilement.

Formation des ions positifs

Les échanges de charges en mode positif produites dans la source d’ionisation chimique sont en général :

Transfert de proton ; M + [B+H]+  [M+H]+  +  B

Formation d’adduit ; M +X+ [M+X]+

Formation d’anion ; M +X+ → [M -A] +AX

Echange de charge ; M + X+X + M+

L’énergie de protonation

L’ionisation chimique est une réaction acide-base, dans cette réaction une molécule est donneur de proton et une molécule est récepteur de proton. La capacité d’une molécule B pour accepter un proton est quantitativement décrite par son affinité protonique (PA). Le processus de protonation peut être décrit comme suit:

Bg + Hg+ → [BH]g+ ; – ΔHro = PA(B)

L’affinité protonique de la molécule B est la quantité d’énergie produite par la capture de proton, elle est exprimée en joules/mol.

La collision de la molécule B avec le gaz réactant protoné permet d’approcher les molécules et forme instantanément un adduit.

[B—H+—G]+

Trois situations peuvent se produire, soit PA(B) > PA(G), la molécule B porte la charge (le proton) après la dégradation de l’adduit, soit PA(B) < PA(G), la molécule B n’est pas protonée et elle ne sera pas observée dans le spectre de masse. La dernière situation, l’adduit est suffisamment stable jusqu’à la détection et il sera observé sur le spectre de masse. La stabilité de l’adduit est assurée par les liaisons hydrogènes et le proton qui crée des moments induits sur les deux molécules, cette situation est généralement observée, quand la différence de l’affinité protonique des molécules n’est pas élevée.

Dans la première situation, la molécule B est protonée et acquise l’énergie interne qui est calculée d’après l’équation 2.

Eint(M+H) = PA(m) – PA(B)

D’après cette équation, on peut contrôler l’énergie interne de l’ion moléculaire protoné en choisissant le gaz réactant approprié suivant leur affinité protonique (Tableau 1).

Tableau 1 : L’affinité protonique des molécules
Molécules PA Molécules PA
H2 424 CH4 552
i-C4H10 820 NH3 854
Méthanol 757 Méthylamide 896
n-propanol 798 Diéthylamide 945
Diéthyléther 838 Triéthylamide 972
Formaldéhyde 718 Diméthylsulfide 839
Butyraldéhyde 806 Méthylnitrile 787
Acétone 823 Ethanethiol 858
Acide formique 707 m-chloroaniline 867
Acide acétique 796 n-méthylaniline 912
Acétate d’éthyle 840 3-méthylpyridine 937

Le tableau 1 montre l’affinité protonique des gaz réactants les plus utilisés dans CI, on voit que l’hydrogène est le plus exothermique de tous les gaz réactants, conduisant à une fragmentation considérable. L’utilisation de l’hydrogène comme gaz réactant est compliquée par des procédés d’hydrogénation, ce qui rend les spectres CI moins prévisible, néanmoins, H2-CI est avérée être pratique dans les cas spéciaux, surtout pour les molécules qui sont très difficiles à ioniser.

Le méthane est le gaz très utilisé dans CI, il permet d’ioniser la plupart des molécules parce que son affinité protonique est faible (tableau 1), par contre les spectres méthane-CI présentent beaucoup de d’ions fragments, et parfois les ions moléculaires protonés ne sont pas observés. L’utilisation des gaz qui ont l’affinité protonique élevée permet de réduire considérablement la fragmentation, comme l’ammoniac ou isobutane. En utilisant les gaz qui ont l’affinité protonique élevée, on observe aussi les ions adduits, comme le cas de l’ammoniac car son affinité protonique est élevée et il peut former facilement des liaisons hydrogènes (figure 1).

ionisation chimique masse

Figure 1: Les spectres CI de d’alléthrine avec les différents gaz réactants, a) méthane, b) isobutane, c) ammoniac.

La formation des ions négatifs

Pratiquement tous les composés peuvent être ionisés en mode positif, mais la situation n’est pas la même en cas des ions négatifs, tous les composés ne produisent pas d’ions négatifs en ionisation chimique. Cependant, de nombreux composés importants d’intérêt environnemental ou biologique peuvent produire des ions négatifs dans de bonnes conditions. Pour de tels composés, le mode négatif est parfois plus efficace, plus sensible et sélectif. Les ions négatifs peuvent être formés par la capture un électron ou par échange de protons avec une espèce chargée présente dans le plasma. En mode négatif, un gaz tampon est utilisé (habituellement un gaz CI commun tel que le méthane) pour ralentir les électrons du faisceau d’électrons, jusqu’à ce que certains électrons aient juste la bonne énergie pour être capturé par les molécules d’analyte. L’électron capturé possède très peu d’énergie cinétique de l’ordre 1 eV à quelques eV, l’énergie cinétique des électrons capturés n’apporte pas d’énergie aux molécules, mais la capture d’électron est un processus endothermique qui apporte environ 2-5 eV ce qui est suffisant pour casser des liaisons covalentes. Les électrons ayant énergie cinétiques trop élevés, ils ne sont pas capturés par la molécule, mais ils peuvent perturber le nuage d’électron des molécules. Si l’énergie est trop importante, la perturbation peut causer la fragmentation voire la perte d’un électron, et les analytes sont directement ionisées par perte de l’électron, ces réactions sont produits dans la source CI qui sont les réactions non voulues.

Les réactions principales en mode négatifs.

(1) Proton transfer M + X = (M-H) + XH

(2) Charge exchange M + X = M + X

(3) Nucleophile addition M + X = MX

(4) Nucleophile déplacement AB + X = BX + A

Les ions primaires produits par le gaz réactant

La source ionisation chimique est de moins en moins utilisée en spectrométrie de masse face à de nouvelles techniques d’ionisation modernes comme MALDI ou électrospray[3]. Les réactions produites dans la source CI sont nombreuses et compliquées, mais la source CI offre de bonne connaissance de compréhension des réactions chimiques en phase gazeuse qui ne se produisent pas en solution. Car les interactions dans la solution comme hydrophobicité, forces de coulomb, interactions π-π, forces de van der Waals… sont fortement réduites voire inexistante en phase gazeuse.

Examinons le cas de méthane utilisé comme gaz réactant. Les réactions  produites sous l’effet du bombardement d’électron sont :

CH4 → CH4+, CH3+, CH2+, CH+, C+, H2+, H+

Ensuite les réactions chimiques qui ont été systématiquement étudiés.

CH4+. + CH4 → CH5+ + CH3

CH3+ CH4 → C2H7+ → C2H5+ + H2

CH2+● + CH4 → C2H4+● +H2

CH2+● + CH4 → C2H3+ + H2 + H

C2H3+ + CH4 → C3H5+ + H2

C2H5+ + CH4 → C3H7+ + H2

L’abondance des ions produite dans la source CI est fortement influencée par la température et la pression dans la source. Ces réactions produisent des molécules qui contribuent à augmenter la pression de la source, mais leur contributions en pression sont faibles qui n’affectent pas la reproductivité des spectres CI.

Ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI)

Ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI)[4][5] est une méthode complémentaire à électrospray. L’APCI ne génère pas d’ions multichargés, et fonctionne à des températures plus élevées, il est couramment utilisé pour analyser les composés polaires et non polaires de faible poids moléculaire (< 1000 Da) et thermostable. L’APCI est une méthode d’ionisation douce, elle ne produise pas (ou très peu) de fragmentation, et les ions produits sont monochargés.

Le principe de l’APCI consiste à ioniser les ions primaires et ensuite ces ions échangent la charge avec des molécules du solvant qui échangent la charge à leur tour avec les analytes (figure 2), il est donc basé sur le même principe de l’ionisation chimique mais les réactions sont effectuées à la pression atmosphérique. Dans la source APCI, le nuage d’électron est émis par une décharge corona, les ions primaires sont produits à partir du gaz présent dans l’atmosphère comme l’azote, et l’oxygène.

la source apci

Figure 2: Schéma de la source APCI

La figure 2 montre le fonctionnement de la source APCI, l’analyte est introduite dans la source à un débit environ 1,5 ml/min. Le capillaire est chauffé grâce à un gaz nébuliseur l’azote, à la sortie du capillaire, le liquide forme des petites goulettes qui seront chauffées à la température de 300-500°C qui sont transformées en vapeur. La vapeur passe à travers un flux d’électrons émis par la décharge corona porté à un potentiel de 5-10 kV, ensuite les échanges de charge seront effectués dans la pression atmosphérique. En APCI les ions primaires sont des ions formés à partir de la décharge des molécules présentes dans l’atmosphère telle que N2 et O2 qui forment des ions N2+, N2+, O2+… puis ils échangent leur charge avec les molécules du solvant. La source APCI peut être utilisée en mode positif et négatif, en mode négatif, les ions sont produits par capture d’électron ou par soustraction de proton. La source APCI permet de coupler avec la chromatographie en phase liquide plus facilement par rapport à  la source CI. Elle est moins sensible par rapport à l’électrospray, mais pour des composés polaires comme les lipides, elle peut offrir certains avantages par rapport à électrospray.

[1] Chemical ionization of amino acids C. W. Tsang, A. G. Harrison J. Am. Chem. Soc., 1976, 98 (6), pp 1301–1308

DOI: 10.1021/ja00422a001

[2] Herman,  J.A.;  Harrison,  A.G.  Effect  of Protonation Exothermicity on the CI Mass Spectra   of   Some   Alkylbenzenes.   Org. Mass Spectrom. 1981,16, 423-427.

[3] Yamashita, M. and J.B. Fenn. 1984. Electrospray ion-source—another variation on the free-jet theme. J. Phys. Chem. 88:4451-4459.

[4] Atmospheric pressure ionization (API) mass spectrometry. Solvent-mediated ionization of samples introduced in solution and in a liquid chromatograph effluent stream. Horning EC, Carroll DI, Dzidic I, Haegele KD, Horning MG, Stillwell RN. J Chromatogr Sci. 1974 Nov;12(11):725-9.

[5] ATMOSPHERIC PRESSURE IONIZATION MASS SPECTROMETRY Eric C. Huang Timothy Wachs James J. Conboy Jack D. Henion Anal. Chem., 1990, 62 (13), pp 713A–725A

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