E.2. Les phénomènes de surface

Les phénomènes de surface font également partie de ces points acceptés par la communauté scientifique notamment ceux créés par les surfaces métalliques ou les surfaces structurées.

II.E.2.a. Impact des surfaces métalliques sur l’ionisation des échantillons

Un des phénomènes les plus connu lorsqu’il est question de surface métallique est un effet découvert par Albert Einstein en 1905 : l’effet photoélectrique. Ce concept est caractérisé par l’émission d’un électron lorsqu’une radiation lumineuse frappe une surface métallique.462

Cependant dans le cas du MALDI et des lasers utilisés (N2, 337 nm et 3,7 eV ; Nd:YAG, 355 nm et 3,5 eV) l’énergie requise pour obtenir cet effet n’est pas atteinte ni pour une surface en acier (4,5 eV) ni pour une surface en or (5,1 eV). Ce qui ne rend toutefois pas le phénomène impossible puisqu’il a pu être mesuré et modélisé. C’est l’explication fondamentale du processus qui reste problématique. La solution provient de l’interface matrice-métal qui permet l’émission de deux photoélectrons qui vont initier les réactions d’ionisation de la matrice si le niveau énergétique de sa LUMO (pour « Lowest Unoccupied Molecular Orbital ») se trouve sous le niveau de Fermi. Ce dernier correspond à l’énergie nécessaire pour ajouter un électron à un corps, en l’occurrence la matrice MALDI. Et c’est cet ajout pour un photon d’un électron dans l’orbitale d’une molécule de matrice qui rend possible par la suite l’absorption consécutive de deux photons pour initier l’excitation aux états S1 puis Sn par fusion et saut énergétique pour aboutir à l’ionisation de la molécule de matrice. Dans le

462

179

cas où le niveau de Fermi est plus bas comme pour une surface en or, le niveau énergétique requis pour l’ionisation reste équivalent à l’absorption de 3 photons (voir Figure 107 ci-dessous).

Figure 107 : Représentation simplifié d’un diagramme d’orbitales molécules de matrices MALDI usuelles adsorbées sur une surface d’or ou d’acier. Avec un niveau de Fermi (ε_f) inférieur au niveau énergétique de la LUMO, le photon absorbé par le métal est transféré à la matrice dans sa LUMO sous forme d’un électron qui va pouvoir par la suite absorber l’énergie laser. Le niveau énergétique alors requis équivaut à l’absorption consécutive de deux photons pour atteindre directement un état ionisé

C’est un phénomène qui se déroule uniquement lors de l’irradiation laser et qui va avoir tendance à augmenter la quantité d’ions primaires de matrices très rapidement au début de la phase d’ablation/ionisation. Cela permet, à partir d’analytes neutres, d’obtenir très vite des ions ablatés également très rapidement car issus d’une zone de faible épaisseur où la vague d’expansion pneumatique va pouvoir agir (voir Figure 108 p.180). ⁴⁶³ Celle-ci libèrera ces ions qui auront une probabilité de survie beaucoup plus importante car issus d’un nuage particulaire composé, pour une forte proportion, d’ions.

463

G. McCombie, R. Knochenmuss, Journal of the American Society for Mass Spectrometry 2006, 17, 737–745

1 2 DH B DH B SA H CCA _DH^B LUMO -4,6 HOMO -8,0

PI, eV (molécule isolée) Niveau énergétique

dans le vide

Plaque en acier ^{Plaque avec revêtement or} ε_f Φ = 4,5 eV ^{Absorption de} 2 photons Absorption de 3 photons Φ = 5,1 eV ε_f

180

Figure 108 : Illustration de l’effet photoélectrique sur les bords de dépôts de plus en plus épais (de gauche à droite) obtenus par la technique de l’électrospray. Les résultats supérieurs correspondent à une accumulation de 5 impulsions laser, et ceux en-dessous à 50 impulsions laser sur un dépôt de substance P. Les points expérimentaux sont représentés par les croix tandis que la ligne continue représente le signal moyen dans la zone la plus uniforme du dépôt

II.E.2.b. L’influence de la structuration de surfaces

Brièvement, ce type de surface peut affecter de façon non négligeable les processus d’ionisation MALDI. En effet, sur une telle surface (voir Figure 109 ci-dessous), le postulat d’un nuage particulaire en expansion libre ne s’applique plus à cause de l’environnement relativement confiné dû à des nanocolonnes de silicone.464 Cela entraîne une expansion forcée suivant l’axe z uniquement, et donc une accélération plus importante de ce mouvement de dilatation. La conséquence directe pour le nuage particulaire MALDI est une fréquence de collisions plus importante, ce qui signifierait une dissipation énergétique plus rapide et un refroidissement du nuage plus important pour, in fine, une diminution du nombre de collisions entraînant la formation d’ions mais surtout de réactions de recombinaison pour aboutir à une augmentation du rendement ionique. Malheureusement c’est le contraire qui a été observé.465

La conclusion de cette étude est donc de privilégier des surfaces denses pour éviter ces phénomènes d’expansion axiale qui nuisent au rendement ionique et in fine à la sensibilité en détection.

464 B. N. Walker, T. Razunguzwa, M. Powell, R. Knochenmuss, A. Vertes, Angewandte Chemie International

Edition 2009, 48, 1669–1672 465

R. Knochenmuss, European Journal of Mass Spectrometry 2009, 15, 189

In

tensit

é

rela

ti

v

e

mm

181

Figure 109 : Cliché de microscopie électronique à balayage d’une surface siliconnée présentant des colonnes de 600 nm de haut pour 300 nm de diamètre et une distance inter colonne évaluée à 200 nm

II.E.3. Les effets de suppression de matrice et d’analyte

Enfin, les effets de suppression de matrice et d’analyte, souvent observés, sont le dernier de ces trois points sur lesquels s’accordent les chercheurs.466,467

Les preuves que la matrice et l’analyte subissent ce type de phénomène ne manquent pas et d’importantes variations au niveau des signaux relatifs peuvent apparaître lorsqu’un simple paramètre expérimental évolue comme le rapport molaire matrice/analyte (voir Figure 110 ci-dessous) ou l’intensité laser. Les ions d’analytes A à E sont formés grâce à un transfert électronique (voir Figure 93 p.159, Figure 98p.166 et Figure 106 p.178) et peuvent donc amener à la suppression du signal de matrice et même d’un autre analyte sous forme protonée et/ou cationisée, ce qui va dans le sens de la complexité des interconversions possibles en jeu dans le nuage particulaire en expansion. Dans le cas de l’analyte A, il a été montré que celui-ci possédait le potentiel d’ionisation le plus faible et donc la capacité la plus forte, thermodynamiquement parlant, de conserver un électron suite à un transfert par collision.468 Ainsi, quand la quantité d’analyte sous forme ionique est plus importante que celle des ions primaires, l’effet de suppression apparaît comme une conséquence des réactions d’ionisation secondaire

466

R. Kratzer, C. Eckerskorn, M. Karas, F. Lottspeich, Electrophoresis 1998, 19, 1910–1919.

467 G. McCombie, R. Knochenmuss, Analytical Chemistry 2004, 76, 4990–4997

468

A. Hoteling, W. Nichols, D. Giesen, J. Lenhard, R. Knochenmuss, European Journal of Mass Spectrometry 2006, 12, 345

182

Figure 110 : Spectres MALDI-ToF de la caféine avec une matrice HCCA (à gauche) et de différents analytes dans une matrice DCTB (à droite). L’effet de suppression de matrice est presque total dans le spectre 1 à gauche où le rapport matrice/analyte est faible avec une valeur proche de 3. Lorsque le rapport est plus important, à 27 par exemple dans le spectre 2 à gauche, les signaux de matrice apparaissent. En revanche il est possible de détecter des signaux de matrice même avec un rapport de 3 lorsque l’énergie de l’impulsion laser est plus importante comme dans le spectre 3. Cela engendre plus d’ions primaires provenant de la matrice qui devient alors visible