Transmission des ions entre les différentes zones de l’appareil

Le fait d’insérer une zone de mobilité ionique entre la source et l’analyseur du spectromètre de masse génère deux interfaces : la première interface est située entre la source et le premier tube de mobilité, et la deuxième interface est située entre le deuxième tube de mobilité et le Q-ToF. Chacune de ces interfaces a été conçue pour répondre à des exigences bien précises.

Interface Source/Zone de mobilité ionique

Comme expliqué précédemment, la source fonctionnant à pression atmosphérique et le tube de mobilité entre 4 et 15 Torr, une interface est nécessaire pour éviter une contamination du tube de mobilité par le solvant, l’air et les molécules neutres venant de la source. Cette interface se présente sous la forme d’une chambre intermédiaire, notée I sur la figure 2, dont le pompage est réglé pour évacuer l’air et les molécules neutres. La forme triangulaire de la chambre s’explique par le fait que la source est montée avec un angle de 50° par rapport à l’axe du tube, de manière à pouvoir injecter le laser dans l’axe du tube de mobilité (voir figure 3). Grâce à cet angle, l’air et les molécules neutres ne sont pas envoyés directement dans le tube de mobilité, mais à côté de l’entrée du tube, limitant

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ainsi le risque de contamination. Afin de guider les ions vers l’entrée de la zone de mobilité ionique, une électrode en acier inoxydable a été installée du côté opposé à la source. Cette dernière, appelée Repeller sur le schéma global de l’instrument, est maintenue à un potentiel légèrement plus élevé que celui de l’extrémité du capillaire de la source, de manière à repousser les ions vers l’entrée du tube de mobilité, et ainsi maximiser leur transmission. L’entrée dans le tube de mobilité est contrôlée par un double entonnoir à ions, décrit ci-après, qui sert à focaliser le faisceau d’ions pour les transmettre vers le tube de mobilité malgré le contre-flux d’hélium, et à piéger les ions avant leur injection dans le premier tube de dérive.

Figure 3. Photo de l’interface source/mobilité ionique

Interface Zone de mobilité ionique/Q-ToF

Cette interface se compose d’une chambre intermédiaire maintenue à une pression inférieure à celle du tube de mobilité, et dans laquelle on fait circuler un flux d’azote, comme décrit précédemment. Le transfert des ions de la zone de mobilité ionique vers le Q-ToF se fait par un double entonnoir à ion (Bruker Daltonics) identique aux deux premiers. Ce double entonnoir sert à

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focaliser le faisceau d’ions à la sortie du deuxième tube de mobilité. Pour des raisons d’encombrement, ce double entonnoir à ion ne peut pas être mis directement en regard de l’entrée de l’analyseur du spectromètre de masse. Nous avons donc fixé à la sortie du double entonnoir un guide d’ion de type SRIG, fabriqué au laboratoire. Celui-ci se compose de 40 électrodes circulaires de 5 mm de diamètre interne et 40 mm de diamètre externe. Chaque électrode, en acier inoxydable a une épaisseur de 1 mm et est espacée de 2 mm de l’électrode adjacente. A l’instar du tube de mobilité, des tensions continues sont appliquées sur la première et la dernière électrode du guide d’ion, et les électrodes adjacentes sont reliées par des résistances de 500 kΩ. La différence de potentiel typiquement appliquée sur le guide est de 50 à 100 V. Des tensions alternatives (radiofréquences de 1.1 MHz) opposées sont appliquées sur les électrodes adjacentes, via des condensateurs de 10 pF. L’amplitude des tensions alternatives est maintenue faible (5 à 30 Vpp) afin d’éviter le piégeage des ions dans les guide, ou leur activation par collisions.

Les entonnoirs à ions

Pour la transmission des ions au niveau des interfaces de l’appareil, nous avons utilisé des doubles entonnoirs à ions. En effet, les multipôles utilisés en spectrométrie de masse permettent une bonne transmission des ions à de faibles pressions (̱10 mTorr). A des pressions plus élevées, le mouvement des ions est dominé par les collisions avec le gaz. Les guides d’ions de type hexapôle ou quadrupôle sont alors moins efficaces, et on utilise des entonnoirs à ions, présentés par Smith et al. [3]. Par ailleurs, pour réaliser des mesures de mobilité ionique, il est nécessaire de connaître de manière précise le moment d’injection des ions dans le tube de mobilité. Comme les fréquences d’injection sont faibles (de 5 à 10 Hz), il est nécessaire de piéger les ions entre chaque cycle IMS pour augmenter la sensibilité de l’appareil. Dans l’assemblage de deux entonnoirs, le premier sert à focaliser le faisceau d’ions, et le deuxième permet de piéger les ions et de les envoyer dans le tube à des moments précis.

Les trois doubles entonnoirs à ions situés avant le premier tube de mobilité, entre les deux tubes et après le deuxième tube, ont été achetés chez Bruker Daltonics

Chacun de ces doubles entonnoirs est composé d’un empilement d’électrodes circulaires de 0.5 mm d’épaisseur, espacées de 0.5 mm, et de diamètres internes décroissants (voir figure 4). Des tensions continues sont appliquées sur la première électrode (notée Fun In sur la figure 4) et la dernière électrode (notée Fun Out). Les électrodes adjacentes sont reliées par des résistances de 100 kΩ. Des tensions opposées sont appliquées sur les électrodes adjacentes.

La première partie de l’assemblage mesure 6 cm de long, et les diamètres intérieurs des électrodes décroissent de 45 à 1 mm. La deuxième partie mesure 2.2 cm de long, et le diamètre intérieur des électrodes décroit de 7.2 à 4 mm. Entre ces deux parties, et après la deuxième partie se trouvent des électrodes (notées respectivement Base et Gate) sur lesquelles des tensions continues sont appliquées indépendamment des autres électrodes. Les diamètres internes de ces deux électrodes varient entre les différents assemblages de doubles entonnoirs. Nous avons ajouté une

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électrode circulaire de 5 mm de long (notée Focus) après l’électrode Base, et avant l’entrée dans chaque tube de mobilité.

Figure 4. A) Schéma d’un double entonnoir à ions. B) Tensions appliquées lors des phases de piégeage et d’injection des ions.

Sept tensions continues différentes sont appliquées sur l’assemblage (une sur chaque électrode représentée sur la figure 4). Ces tensions continues, ainsi que les amplitudes et les fréquences des tensions alternatives sont contrôlées par logiciel. Les fréquences des tensions alternatives sont respectivement de 750 kHz et 1230 kHz pour les premières et deuxièmes parties de chaque assemblage d’entonnoir.

Pour piéger les ions, ou les injecter de manière précise dans le tube de mobilité, on peut faire varier la tension pulsée appliquée sur l’électrode Gate. En effet, lors de la phase de piégeage des ions, une tension haute est appliquée sur l’électrode Gate, bloquant ainsi le passage des ions (tension représentée en rouge sur la figure 4). Les radiofréquences appliquées sur les électrodes de

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l’entonnoir permettent alors de piéger les ions dans des trajectoires oscillantes. A un temps donné, la tension appliquée sur l’électrode Gate est abaissée, permettant ainsi le passage des ions vers le tube de mobilité. L’ouverture du piège dure de 75 à 500 μs. Dans ces conditions, il est possible de piéger les ions pendant plusieurs dizaines de millisecondes. L’efficacité du piégeage se mesure par la variation de l’intensité du signal total d’ions lorsque l’on passe d’un mode opératoire où les ions sont transmis en continu dans l’entonnoir, à un mode opératoire où ils sont piégés et envoyés par impulsions dans l’appareil. Lorsque le piégeage est efficace, le courant total d’ions ne diminue pas ou peu. On constate alors qu’à basse pression (4 Torr), moins d’un quart des ions sont perdus. A plus haute pression (15 Torr), le piégeage est moins efficace et, dépendamment du système étudié, les pertes d’ions peuvent être plus importantes.