Sources d’ionisation diverse

A part des sources d’ionisation comme ESI, MALDI et EI qui sont très utilisés en spectrométrie de masse, il existe aussi d’autre sources d’ionisation pour répondre aux besoin spécifiques comme la source

Fast Atom Bombardment (FAB)

La source Fast Atom Bombardment (FAB) a été développée par Barber et al. au début des années 1980. Elle est également connue sous le nom de Liquid Secondary Ion Mass Spectrometry (LSIMS). Le principe de la FAB consiste à bombarder un échantillon (solide ou liquide) à l’aide d’un faisceau d’atomes rapides neutres (ou, selon les configurations, d’ions primaires). Cette technique est considérée comme une ionisation douce, car elle limite la fragmentation et permet de préserver davantage l’intégrité des molécules analysées.

Principe et fonctionnement

Dans une source FAB typique (Figure 1), un gaz rare — le plus souvent argon (Ar) ou xénon (Xe) — est introduit dans une chambre sous pression réduite, où il est ionisé par impact électronique. Les ions générés sont ensuite accélérés, puis envoyés dans une zone de collision où ils échangent leur charge avec des atomes neutres. On obtient alors des atomes rapides neutres possédant une énergie cinétique suffisante pour bombarder la surface contenant l’échantillon.

Les étapes peuvent être résumées comme suit :

  • Ionisation :
    Ar + e⁻ → Ar⁺• + 2e⁻

  • Accélération :
    Ar⁺• (lent) → Ar⁺• (rapide)

  • Échange de charge :
    Ar⁺• (rapide) + Ar → Ar (rapide) + Ar⁺•

Les atomes neutres issus de l’échange de charge atteignent généralement une énergie cinétique de l’ordre de 3 à 10 keV. Le bombardement ne “crée” pas directement des ions par ionisation en phase gazeuse ; il provoque surtout une désorption/émission d’ions à partir de la surface de l’échantillon.

L’échantillon peut être analysé sous forme solide ou liquide. Lorsque l’échantillon est liquide (ou dissous), la sensibilité est généralement améliorée en le mélangeant avec une matrice (souvent un liquide visqueux comme le glycérol), qui facilite la désorption et limite la dégradation de la surface. À ce titre, la FAB peut être rapprochée de la MALDI : dans les deux cas, une matrice peut jouer un rôle favorable, mais en FAB l’énergie provient d’un faisceau d’atomes rapides et non d’un laser. En revanche, la FAB est globalement moins sensible que la MALDI.

Avantages de la FAB

  • Ionisation douce : fragmentation limitée, adaptée aux molécules fragiles.

  • Bonne capacité pour les composés polaires et ioniques.

  • Accès à des masses relativement élevées, typiquement ≈ 300 à 6000 Da, difficiles à analyser par impact électronique (EI) ou ionisation chimique (CI).

  • Analyse possible en mode positif et en mode négatif.

Limites et inconvénients

  • Bruit de fond important pour les faibles masses, notamment < 200 Da.

  • Peu adaptée aux très grandes masses (en pratique, au-delà de ≈ 10 000 Da).

  • Reproductibilité limitée des spectres (notamment à cause de l’état de surface et de la matrice), ce qui rend la quantification moins fiable que dans d’autres approches.

Ionisation chimique (CI) et ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI)

Ionisation chimique (CI)

L’ionisation chimique (Chemical Ionization, CI) est une technique d’ionisation développée comme méthode complémentaire à l’impact électronique (EI). Contrairement à l’EI, qui est fortement énergétique et provoque une fragmentation importante des ions moléculaires — pouvant entraîner la perte de l’information sur la masse moléculaire — la CI repose sur un mécanisme plus doux.

Le principe fondamental de la CI consiste à ioniser, par impact électronique, un gaz réactant (méthane, isobutane, ammoniac, etc.) présent en forte concentration dans la source. Les ions formés à partir de ce gaz réactant interagissent ensuite avec les molécules d’analyte par des réactions ion–molécule. De cette manière, les analytes sont protégés du faisceau d’électrons, ce qui réduit considérablement la fragmentation. Les sources CI modernes sont généralement combinées aux sources EI, permettant un passage aisé d’un mode à l’autre.

Formation des ions en mode positif

En mode positif, plusieurs types de réactions peuvent se produire dans la source CI :

  • Transfert de proton :
    M + [B + H]⁺ → [M + H]⁺ + B
  • Formation d’ions adduits :
    M + X⁺ → [M + X]⁺
  • Échange de charge :
    M + X⁺• → M⁺• + X

Ces mécanismes conduisent principalement à la formation d’ions quasi-moléculaires ([M + H]⁺), ce qui facilite la détermination de la masse moléculaire.

Affinité protonique et énergie de protonation

L’ionisation chimique peut être décrite comme une réaction acide–base en phase gazeuse. La capacité d’une molécule B à capter un proton est exprimée par son affinité protonique (PA), définie comme l’énergie libérée lors de la réaction :

Bg + H⁺ → [BH]g⁺ (−ΔH° = PA(B))

Selon la valeur relative des affinités protoniques du gaz réactant (G) et de l’analyte (B), trois situations peuvent se produire :

  • si PA(B) > PA(G), le proton est transféré à l’analyte et l’ion [M + H]⁺ est observé ;
  • si PA(B) < PA(G), l’analyte n’est pas protoné et peut ne pas être détecté ;
  • si les valeurs de PA sont proches, un adduit stable peut être formé et détecté.

L’énergie interne de l’ion protoné est donnée par :

E_int(M + H) = PA(M) − PA(G)

Ainsi, le choix du gaz réactant permet de contrôler l’énergie interne de l’ion et donc le degré de fragmentation. Les gaz à faible affinité protonique, comme l’hydrogène ou le méthane, induisent une fragmentation plus importante, tandis que des gaz à forte affinité protonique, tels que l’ammoniac ou l’isobutane, favorisent une ionisation plus douce et la formation d’ions adduits.

Formation des ions en mode négatif

Tous les composés ne peuvent pas être ionisés efficacement en mode négatif. Toutefois, de nombreuses molécules d’intérêt environnemental ou biologique présentent une forte affinité pour la capture d’électrons ou la perte de protons, rendant ce mode particulièrement sélectif et sensible.

Les ions négatifs peuvent être formés par plusieurs mécanismes :

  1. Transfert de proton :
    M + X⁻ → (M − H)⁻ + XH
  2. Échange de charge :
    M + X⁻• → M⁻• + X
  3. Addition nucléophile :
    M + X⁻ → MX⁻
  4. Substitution nucléophile :
    AB + X⁻ → BX⁻ + A

En mode négatif, un gaz tampon (souvent le méthane) est utilisé pour ralentir les électrons issus du faisceau électronique, afin de favoriser leur capture par les analytes. Bien que la capture d’électrons soit faiblement énergétique, l’énergie libérée (2–5 eV) peut être suffisante pour induire certaines fragmentations.

Réactions du gaz réactant : exemple du méthane

Sous impact électronique, le méthane génère divers ions primaires (CH₄⁺•, CH₃⁺, CH₂⁺•, etc.) qui participent ensuite à une cascade de réactions ion–molécule. L’abondance relative de ces ions dépend fortement de la pression et de la température de la source, paramètres clés pour assurer la reproductibilité des spectres CI.

Ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI)

L’ionisation chimique à pression atmosphérique (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI) est une technique complémentaire de l’électrospray (ESI). Contrairement à l’ESI, l’APCI ne génère pas d’ions multichargés et fonctionne à des températures plus élevées. Elle est particulièrement adaptée à l’analyse de composés faiblement à moyennement polaires, thermostables, et de masse moléculaire généralement inférieure à 1000 Da.

Le principe de l’APCI repose sur des réactions d’ionisation chimique similaires à celles de la CI classique, mais réalisées à pression atmosphérique. Les ions primaires sont générés par une décharge corona, qui ionise les molécules présentes dans l’atmosphère (N₂, O₂). Ces ions transfèrent ensuite leur charge aux molécules du solvant, lesquelles ionisent à leur tour les analytes.

Dans une source APCI, l’éluant issu de la chromatographie liquide est nébulisé et vaporisé à haute température (≈ 300–500 °C). Les échanges de charge se produisent ensuite dans la région de la décharge. La source APCI peut fonctionner en mode positif ou mode négatif, ce dernier reposant sur des mécanismes de capture d’électrons ou de déprotonation.

Bien que généralement moins sensible que l’électrospray, l’APCI présente des avantages notables pour certaines classes de composés, notamment les lipides et les molécules peu ionisables en ESI. Elle offre également une compatibilité robuste avec la chromatographie liquide, ce qui en fait une source largement utilisée en analyses environnementales, pharmaceutiques et alimentaires.

Photoionisation à pression atmosphérique (APPI)

La photoionisation à pression atmosphérique (Atmospheric Pressure PhotoIonization, APPI) a été initialement introduite comme méthode de détection pour la chromatographie en phase gazeuse (GC). Sur le plan technique, la source APPI peut être considérée comme une variante de la source APCI, dans laquelle la décharge corona est remplacée par une lampe à photons ultraviolets. Cette lampe émet un rayonnement UV capable d’ioniser directement ou indirectement les molécules d’analyte.

Principe de la photoionisation

Le principe fondamental de l’APPI repose sur l’absorption de photons par les molécules dont l’énergie d’ionisation (IE) est inférieure à l’énergie des photons incidents. Dans ce cas, une ionisation directe peut se produire selon la réaction suivante :

M + hν → M⁺• + e⁻
(Équation 1)

Une voie réactionnelle alternative intervient lorsque le gaz porteur, tel que l’azote, absorbe le rayonnement ultraviolet lointain. Les molécules excitées transfèrent ensuite leur énergie à l’analyte :

N₂ + hν → N₂*
(Équation 2)
N₂* + M → N₂ + M⁺• + e⁻
(Équation 3)

Afin d’améliorer l’efficacité de l’ionisation, il est fréquent d’introduire des dopants, c’est-à-dire des composés possédant une énergie d’ionisation plus faible que celle de l’analyte. Ces dopants absorbent préférentiellement les photons UV et transfèrent ensuite la charge à l’analyte :

D + hν → D⁺• + e⁻
(Équation 4)
D⁺• + M → D + M⁺•
(Équation 5)

Formation des ions observés

Bien que l’APPI puisse générer des ions radicalaires par ionisation directe ou médiée par un dopant, les spectres APPI sont généralement dominés par des ions non radicalaires, principalement des ions protonés. Ces derniers sont formés par transfert de proton à partir du solvant :

M⁺• + S → [M + H]⁺ + (S − H)•
(Équation 6)

Ce mécanisme explique la prédominance fréquente des ions quasi-moléculaires [M + H]⁺ dans les spectres APPI. L’abondance relative de ces ions dépend fortement de l’affinité protonique (PA) de l’analyte par rapport à celle du solvant. La source APPI peut également fonctionner en mode négatif, dans lequel les ions sont formés par capture d’électrons et par des réactions de transfert de proton impliquant l’analyte ou le solvant.

Les ions générés produisent un courant mesuré par l’électrode du spectromètre de masse, constituant ainsi le signal analytique.

Sélectivité basée sur l’énergie d’ionisation

Le choix de la lampe UV est crucial en APPI. L’énergie des photons doit être inférieure à l’énergie d’ionisation du gaz porteur, mais supérieure à celle de l’analyte, afin de garantir une ionisation sélective. L’énergie d’ionisation d’un composé dépend de sa taille et de sa structure moléculaire : les molécules de grande taille et celles présentant un haut degré de conjugaison possèdent généralement des énergies d’ionisation plus faibles.

Les analytes présentent typiquement des énergies d’ionisation comprises entre 7 et 10 eV, tandis que les gaz couramment utilisés possèdent des valeurs plus élevées (Tableau 1). En pratique, une lampe à décharge de krypton émettant des photons d’environ 10 eV est le plus souvent utilisée.

Couplage de l’APPI avec la chromatographie liquide

La photoionisation a également été appliquée avec succès à la chromatographie en phase liquide (LC). Les solvants usuels de la LC (eau, acétonitrile, méthanol) possèdent des énergies d’ionisation relativement élevées, ce qui permet l’ionisation sélective des analytes. La première étape du couplage LC–APPI consiste en l’évaporation complète du solvant, indispensable car le taux de recombinaison ionique est beaucoup plus élevé en phase liquide qu’en phase gazeuse. Une fois vaporisés, les analytes sont ionisés selon des mécanismes similaires à ceux observés en GC–APPI.

La source APPI a également trouvé des applications comme détecteur en spectrométrie de mobilité ionique, démontrant sa polyvalence analytique.

Développements instrumentaux

Revel’skii et al. furent parmi les premiers à introduire l’APPI en spectrométrie de masse, en remplaçant un nébuliseur chauffé par une lampe de photoionisation. Cette configuration a permis d’obtenir une large gamme dynamique et une sensibilité accrue pour certains analytes.

Quelques années plus tard, Bruins et collaborateurs ont développé une source APPI dédiée au couplage LC–MS, intégrée à un spectromètre de masse à triple quadripôle. Leur dispositif, proche de la source APCI de Sciex, comprend un nébuliseur chauffé, un boîtier d’ionisation et l’utilisation de l’azote comme gaz nébuliseur et gaz de la lampe, l’oxygène jouant le rôle de gaz auxiliaire. Un dopant est introduit à faible débit (environ un dixième du débit de solvant, typiquement 100 à 300 µL/min) afin d’optimiser l’ionisation.

La vapeur issue du nébuliseur est entraînée par un flux d’azote vers la zone de photoionisation, située à proximité immédiate de la lampe à décharge de krypton (10 eV). Un potentiel électrique de l’ordre de 1,2 à 1,5 kV est appliqué afin d’assurer l’extraction efficace des ions formés. Le schéma général de cette source APPI est présenté à la Figure 1.