L‘analyseur en masse par temps de vol

Chaque type d’analyseur possède un principe de fonctionnement et une géométrie bien distincte afin de séparer les ions en fonction de leur rapport m/z. Pour sa part, l’analyseur TOF sépare les ions selon leur temps de vol, c’est-à-dire le temps nécessaire pour parcourir un tube de vol exempté de champ (électrique ou magnétique). Les ions issus du processus d’ionisation sont pulsés de la source par paquet afin de pouvoir être séparés par l’analyseur TOF (Figure 1.3.3), d’où l’intérêt de coupler une source d’ionisation pulsée, comme la LDI,

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avec ce type d’analyseur. Le temps de vol (t) d’un ion est relié à son rapport m/z par l’équation 1. La distance (L) et le potentiel d’accélération en source (Vs) sont des paramètres constants pour un instrument donné. On observe par cette équation que lorsque le rapport m/z augmente, le temps de vol de l’ion augmente.

𝑚 𝑧 = (

2𝑒𝑉𝑠

𝐿2 ) 𝑡2 [1]

Figure 1.3.3 Schéma de la configuration de base d’un analyseur TOF en mode linéaire pour trois ions de m/z différents.

Le domaine de masse analysable d’un analyseur TOF n’a quasiment aucune limite théorique lorsque celui-ci est couplé de façon axiale avec une source MALDI. En fait, des molécules dépassant 300 000 Da ont déjà été détectées utilisant cette géométrie 101_{. De plus, c’est un} analyseur extrêmement rapide pouvant produire des milliers de spectres de masse par seconde, et cela sur une large gamme de masse 87_{. Puisque le temps de vol est relié au rapport} m/z, un étalonnage en masse de l’instrument est nécessaire. En général, trois ou quatre molécules étalons sont utilisées pour étalonner une certaine gamme de masse. Deux types d’étalonnage peuvent être utilisés. L’étalonnage externe est préalable à l’analyse. Dans ce

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cas, les étalons n’interfèrent pas avec l’analyse. Pour sa part, l’étalonnage interne consiste à ajouter les étalons dans l’échantillon. Ce mode permet d’obtenir une meilleure précision en masse, mais avec un risque d’interférer avec les analytes d’intérêt.

L’inconvénient de travailler avec un analyseur TOF en mode linéaire est que cette géométrie offre un faible pouvoir de résolution en masse, surtout dans la gamme de haute masse (≥ 5000 Da). Plusieurs facteurs sont à la source de ce désavantage 102 _{: la distribution} temporelle, spatiale et en énergie cinétique.

La distribution temporelle provient en partie de la durée de l’impulsion laser durant le processus d’ionisation. Les ions de même m/z étant ionisés à un temps différent auront des temps de vol différents. Ce phénomène est moins important lors de l’ionisation par LDI.

La distribution spatiale provient d’une dispersion dans l’espace des ions lors de l’impulsion laser. Ce phénomène est plus accentué lors de l’ionisation MALDI due aux irrégularités de la surface d’analyse, c’est-à-dire une cible contenant l’échantillon et la matrice cristallisée.

La distribution en énergie cinétique provient de la variation de la vitesse initiale des ions lors de leur désorption. Cette variation de vitesse induit une dispersion en énergie cinétique qui par la suite induit une dispersion temporelle des ions de même m/z.

Grâce à la recherche et aux développements technologiques dans ce domaine, deux techniques ont apporté d’importantes améliorations sur la résolution en masse des ions analysés par TOF : le réflectron et l’extraction retardée.

Le réflectron est la première avancée technologique qui mena à une importante amélioration de la résolution en masse des ions 103, 104_{. Ce dispositif est composé de plusieurs électrodes} permettant de générer un champ électrostatique retardateur (miroir électrostatique) qui a pour but de diminuer la dispersion en énergie cinétique des ions. Après l’impulsion laser, une légère variation de la vitesse initiale des ions provoque une différence d’énergie cinétique chez les ions de même m/z. Lorsque ces paquets d’ions entrent dans le réflectron, ceux ayant une plus grande énergie pénétreront plus profondément avant d’être redirigés

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vers le détecteur, allongeant ainsi leur distance de vol (Figure 1.3.4). Ce dispositif permet une meilleure focalisation des ions de même m/z sur le détecteur qui se traduit par une amélioration de la résolution en masse des ions. La géométrie co-axiale des TOF permet une analyse rapide de mélanges moléculaires complexes sur une gamme de masse presque illimitée avec une transmission proche de 100% des ions produits en source. Par contre, il est limité par la résolution en masse des ions produits. Le développement du temps de vol à injection orthogonale a notamment permis d’améliorer cette résolution. Cependant, cette géométrie a le désavantage de diminuer la transmission des ions dans le TOF.

Figure 1.3.4 Schéma de la configuration de base d’un analyseur TOF en mode réflectron pour deux ions de même m/z avec des énergies cinétiques différentes.

L’extraction retardée est la deuxième invention qui mena à une augmentation de la résolution en masse des ions 105, 106_{. Ce principe repose sur une focalisation simultanée de la dispersion} en énergie cinétique des ions formés et de leur distribution spatiale. Après l’impulsion laser, un temps de retard de l’ordre de quelques centaines de nanosecondes est imposé dans le premier étage de la source ionique avant l’extraction des ions (Figure 1.3.5). Durant ce temps, les ions ayant une plus grande vélocité acquise lors de la désorption vont se retrouver à une plus grande distance de l’électrode d’accélération. Lorsque le potentiel d’extraction de quelques kilovolts est appliqué, les ions lointains recevront alors moins d’énergie que les ions ayant une plus petite vélocité se trouvant plus près de la plaque échantillon. Afin que cette compensation en énergie soit optimale, le temps de retard et la tension appliquée doivent être optimisés en fonction de la masse des ions d’intérêts. En général, plus le m/z de l’ion est petit, plus la tension est basse et plus le temps de retard est court. La combinaison

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de ces deux innovations permet dans les systèmes MALDI-TOF MS modernes d’atteindre des résolutions en masse > 30 000.

Figure 1.3.5 Schéma de la configuration de base d’un analyseur TOF avec une source à extraction retardée pour des ions de même m/z.

(http://nptel.ac.in/courses/102103044/module2/lec12/3.html)