Spectrométrie de masse à résonance cyclonique ionique (FT-ICR-MS)

Une analyse par spectrométrie de masse à résonance cyclonique ionique a été réalisée sur les extraits de MO choisis. Ces analyses ont été réalisées par le Helmholtz Center de Munich (Allemagne). Les résultats permettent l’obtention d’informations qualitatives complémentaires sur la composition élémentaire, moléculaire et structurale des extraits.

Dans un premier temps, les spectres de masse FT-ICR-MS obtenues en mode négatif des quatre MOD isolées, représentés sur la Figure 5, montrent une large distribution continue des pics de masse indiquant une matière organique hautement transformée. Bien que les distributions de masse des quatre extraits s’étendent sur la même gamme (200 < m/Z< 850), la répartition des pics est différentes. Ces spectres montrent donc des extraits de MOD complexes et hétérogènes qui possèdent un nombre important d’espèces moléculaires diversifiées.

Chapitre IV : Caractérisation d’extrait de MO et complexation métallique

Le Tableau 5 regroupe la somme des formules élémentaires assignées en quatre catégories : CHO, CHON, CHOS et CHONS, pour les quatre extraits de MOD étudiés. Comme observé sur les spectres de masse, les quatre extraits ont des caractéristiques différentes. Pour SR_HPOA, 3943 pics de masse sont obtenus, alors que les autres extraits en comportent plus de 5800, ceci laisse présumer que SR_HPOA contient moins de molécules variées que les autres extraits de MO. De plus, SR_HPOA est composé à 71,5% de fragment CHO, alors que pour les trois autres extraits la composition est plus hétérogène avec une contribution plus importante des fragments contenant de l’azote et du soufre. En effet PL_FA, JWW_HPO et JWW_TPH sont composés respectivement à 67,3 %, 58,1% et 73,.9% de fragments contenant N et/ou S, contre seulement 28,5% pour SR_HPOA. Cette différence de composition peut s’expliquer par l’origine variée des extraits de MON.

CHO CHON CHOS CHONS Total SRHPOA 2820 835 123 165 3943 % 71,5 21,2 3,1 4,2 PLFA 1920 2018 872 1062 5872 % 32,7 34,4 14,9 18,1 JWW HPO 2690 1627 1351 745 6413 % 41,9 25,4 21,1 11,6 JWW TPH 1788 2211 1252 1591 6842 % 26,1 32,3 18,3 23,5

Tableau 5 : Somme des formules moléculaires assignées et contribution, en pourcentage, à l’ensemble des formules assignées pour chaque catégorie.

Une attribution de structure à ces formules est délicate, puisqu’une formule élémentaire pouvant représenter des millions d’isomères de constitution selon la masse, les nombres d’éléments et le nombre d’insaturation. Mais il existe une méthode de représentation des grands ensembles de données, appelée digramme de Van Krevelen, qui permet d’attribuer les formules moléculaires à des grandes classes de substances distinctes. Le diagramme de Van Krevelen est un graphique représentant le rapport atomique H/C en fonction du rapport atomique O/C des différentes formules élémentaires obtenues. Ce schéma, dont un exemple de référence est présenté sur la Figure 6 est une excellente méthode pour visualiser la nature chimique des molécules qui composent la MOD, en ce qui concerne les composés facilement ionisables. Etant donné que les molécules caractéristiques de la MOD ont des rapports H/C et O/C spécifiques, elles ont tendance à se regrouper dans des régions distinctes du diagramme.

Figure 6 : Digramme type de Van Krevelen d’après D’Andrilli et al. (2013).

La Figure 7 représente les diagrammes de Van Krevelen de chacune des fractions étudiées. Chaque point des diagrammes représente une formule attribuée à un pic du spectre de masse. La distribution de ces différents points est globalement identique dans le cas des extraits SR_HPOA et PL_FA, ils sont regroupés en un groupe homogène indiquant des composés similaires, néanmoins ce groupe n’est pas centré de la même manière, SR_HPOA a pour centre les coordonnées 1 pour le rapport H/C et 0,45 pour le rapport O/C tandis que PL_FA est centré sur 1,27 pour le rapport H/C et 0,39 pour le rapport O/C. Cela montre que PL_FA a une part plus importante de protéines et une MO plus faiblement oxygénée et un degré de saturation en hydrogène plus élevé que SR_HPOA. Pour les fractions JWW la disposition des points est plus dispersée. Pour la fraction HPO, les points sont regroupés dans la région des protéines peu oxygénées. Quant à la fraction TPH, elle est plus hétérogène, les points sont répartis à la fois dans la région des fragments de lignine, des protéines et des aminoacides, et les fragments de molécules semblent plus oxydés et réduits que les molécules de la fraction HPO.

Chapitre IV : Caractérisation d’extrait de MO et complexation métallique

Figure 7 : Diagramme de Van Krevelen des quatre extraits de MON étudiés. Les différentes formules élémentaires étant représentées dans des couleurs différentes avec en bleu les fragments CHO, en vert CHOS,

en orange CHNO et en rouge CHNOS. La surface des points reflètent l’intensité relative moyenne des pics de masse.

Pour une meilleure visualisation de la localisation des différentes formules élémentaires, la Figure 8 montre la représentation des diagrammes de Van Krevelen pour chaque classe de formules élémentaires, des quatre extraits étudiés. Pour l’extrait SR_HPOA, de nouveau on observe la présence majoritaire de fragment CHO fortement aromatique, appartenant à de la lignine. Les fragments CHON appartiennent à la même catégorie. Les quelques fragments CHOS se retrouvent dans la partie lignine et protéine du diagramme. Pour PL_FA, toutes les catégories de formules élémentaires se regroupent au milieu de la région des espèces de la lignine. Cependant, chaque classe s’étend différemment depuis le centre (H/C=1 et O/C=0,5). Les fragments présents dans la région des acides aminés sont exclusivement composés de formules élémentaires CHONS alors que pour la région des protéines, on retrouve les classes de formules élémentaires CHO et CHOS. Quant à la classe CHON, elle est majoritairement présente dans la région de la lignine. Les formules élémentaires assignées aux extraits de Jeddah sont elles aussi centrées sur la région de la lignine, mais leurs distributions suivant le rapport O/C sont différentes. Pour la fraction HPO, les fragments sont regroupés dans la zone où le rapport O/C est inférieur à 0,5, alors que pour la fraction TPH, la distribution se fait de manière homogène de part et d’autre du centre du rapport O/C.