Analyseur à temps de vol (Time of Flight, TOF)
L’analyseur à temps de vol, également appelé Time of Flight (TOF), est un analyseur de masse qui présente plusieurs avantages majeurs, notamment une vitesse d’analyse très élevée, une excellente transmission ionique, proche de 100 %, ainsi qu’une capacité d’analyse à très haut rapport m/z.
Bien que le principe du TOF ait été développé dès les premières années de la spectrométrie de masse [1,2], cet analyseur a été progressivement supplanté, à une époque, par d’autres technologies telles que le quadrupôle ou les analyseurs à secteur magnétique. Toutefois, grâce aux avancées récentes en électronique, en détection et en traitement du signal, les analyseurs TOF ont connu un regain d’intérêt et sont aujourd’hui capables de rivaliser avec les analyseurs modernes, tout en conservant leurs avantages intrinsèques.
Le principe de fonctionnement d’un analyseur TOF est relativement simple. Il repose sur la mesure du temps de parcours des ions dans un tube de vol. Dans un premier temps, l’ensemble des ions est soumis à une impulsion d’accélération leur conférant une énergie cinétique similaire (avec de légères variations dues à leurs positions initiales). Les ions sont alors propulsés vers le détecteur.
Cependant, les ions ne possèdent pas tous le même rapport masse/charge (m/z). À énergie cinétique comparable, les ions plus légers acquièrent une vitesse plus élevée que les ions plus lourds. Il en résulte une différence de temps d’arrivée au détecteur, les ions de faible m/z atteignant le détecteur plus rapidement que ceux de m/z élevé (Figure 1).
Ainsi, la mesure du temps de vol des ions permet de déterminer leur rapport m/z, ce qui constitue le fondement de l’analyse de masse par TOF.
Le calcul du temps de vol d’un ion de rapport m/z donné dans un tube de vol est relativement simple. Tout d’abord, l’ion est soumis, dans le champ électrostatique, à une énergie potentielle équivalente à celle fournie par la différence de potentiel appliquée.
Où z est le nombre de charges de l’ion et la charge élémentaire. Cette énergie potentielle est entièrement transformée en énergie cinétique lors de l’accélération de l’ion :
En égalant les deux expressions, on obtient la vitesse de l’ion :
L : la longueur du tube de vol
En substituant l’expression de la vitesse, le temps de vol devient :
Finalement, on montre que le rapport masse/charge est proportionnel au carré du temps de vol :
Amélioration la résolution du TOF
La résolution de l’analyseur TOF utilisé en tant que tel est moyenne, pour améliorer la résolution on peut ajouter deux options.
Le réflectron
Comme la longueur du tube de vol ne peut pas être augmentée indéfiniment, il est possible d’allonger le trajet effectif des ions en utilisant des miroirs électrostatiques, appelés réflectrons (figure1). Cette technique permet aux ions d’effectuer un aller-retour dans le tube de vol, doublant ainsi la distance parcourue. L’utilisation du réflectron a été proposée par Boris Mamyrin dans les années 1970.
Le réflectron est constitué d’un ensemble de lentilles électrostatiques auxquelles est appliqué un gradient de potentiel. Les ions pénétrant dans cette région sont progressivement ralentis jusqu’à s’arrêter, puis repartent en sens inverse. À la sortie de la zone des miroirs électrostatiques, les ions possèdent la même vitesse qu’à l’entrée, mais avec une direction opposée.
Le réflectron ne corrige pas directement la dispersion de vitesse entre les ions de même m/z, mais il permet de compenser la dispersion spatiale (Figure 3). En effet, les ions possédant une énergie cinétique plus élevée pénètrent plus profondément dans le réflectron, ce qui allonge leur trajectoire. Ainsi, ils arrivent au détecteur en même temps que les ions initialement plus lents, ce qui améliore la résolution.
Cependant, l’utilisation du réflectron présente un inconvénient : elle limite la détection des ions de m/z élevé. Les ions très lourds peuvent pénétrer trop profondément dans le réflectron et être perdus dans la zone des miroirs électrostatiques. Dans ce cas, il est nécessaire d’augmenter l’intensité du champ des lentilles électrostatiques, ce qui peut dégrader la transmission ou la résolution des ions de faible m/z. En règle générale, l’utilisation du réflectron impose donc une limitation de la gamme de masse analysée.
Extraction retardée.
Au moment de l’impulsion d’extraction, les ions de même m/z ne se trouvent pas exactement à la même position dans la source. Certains sont plus proches du détecteur que d’autres. Lorsqu’une seule impulsion est appliquée, les ions situés plus loin quittent la zone d’accélération plus tard, mais acquièrent une vitesse plus élevée et finissent par dépasser les ions plus lents. Par conséquent, le paquet d’ions de même m/z s’élargit au cours du vol, ce qui entraîne une diminution de la résolution.
Pour corriger ce phénomène, on utilise la méthode d’extraction retardée [3,4], qui consiste à appliquer une seconde impulsion après un délai typiquement de quelques centaines de nanosecondes. Cette seconde impulsion permet aux ions initialement plus lents de rattraper les ions plus rapides, idéalement à proximité du détecteur (Figure 3).
Cette méthode améliore significativement la résolution. Pour une gamme de masse donnée, l’amplitude et le délai de la seconde impulsion sont ajustés de manière à ce que les ions de même m/z convergent vers le détecteur au même instant et soient ainsi détectés simultanément.
Néanmoins, l’extraction retardée présente certaines limitations. Elle réduit la gamme de masse détectable : contrairement au mode sans extraction retardée, où tous les ions peuvent être détectés simultanément, cette méthode ne permet d’analyser qu’une plage de masses spécifique. De plus, la calibration du spectromètre devient plus complexe lorsqu’elle est utilisée.
La fragmentation dans le TOF
Il est possible d’introduire un gaz de collision dans le tube de vol afin de provoquer la fragmentation des ions. Toutefois, dans un analyseur à temps de vol, les ions se déplacent à des vitesses très élevées ; les collisions ont donc lieu dans un régime de haute énergie, peu efficace pour la fragmentation contrôlée, et conduisent souvent à des mécanismes de fragmentation complexes et difficiles à interpréter.
Un spectre MS/MS peut néanmoins être enregistré avec un analyseur TOF en utilisant le mode PSD (Post-Source Decay). Dans ce mode, on suppose que les ions précurseurs se fragmentent spontanément au cours de leur vol vers le détecteur. Cependant, le mode PSD est généralement moins performant que d’autres méthodes de fragmentation, telles que la dissociation induite par collision (CID).
Tout d’abord, la détection des ions fragments en mode PSD n’est possible que si la décomposition des ions précurseurs a lieu entre la source et le réflectron. Si la fragmentation se produit après le réflectron, il devient impossible de séparer les ions fragments des ions précurseurs, car tous arrivent au détecteur au même instant. Les ions fragments sont alors enregistrés comme des ions précurseurs, ce qui fausse l’interprétation du spectre.
De plus, la calibration en mode PSD est particulièrement complexe. Contrairement au mode TOF classique, dans lequel une relation simple permet une calibration linéaire à l’aide de seulement deux points, le mode PSD nécessite de connaître et d’intégrer plusieurs paramètres instrumentaux dans l’équation de calibration. En pratique, cela se traduit par une faible exactitude en masse et une résolution réduite.
L’une des principales raisons de cette dégradation est liée au mécanisme même de la fragmentation PSD. La décomposition de l’ion précurseur libère une énergie interne distribuée dans toutes les directions, ce qui entraîne un élargissement du nuage d’ions fragments. Ce phénomène contribue directement à la perte de résolution.
Par ailleurs, le mode PSD repose sur une fragmentation naturelle des ions précurseurs dans la région située entre la source et le réflectron. Or, les sources d’ionisation les plus couramment utilisées avec les analyseurs TOF, telles que MALDI et l’électrospray, sont des sources d’ionisation douce. La fragmentation spontanée y est donc peu efficace, et la majorité des ions précurseurs survivent jusqu’au détecteur, ou au moins jusqu’après le réflectron.
Pour réaliser un spectre MS/MS avec un analyseur TOF, il est d’abord nécessaire d’isoler les ions précurseurs. Dans les analyseurs à temps de vol, cette isolation est généralement effectuée à l’aide d’une tension appliquée pour éliminer l’ensemble des ions. Cette tension est ensuite brièvement interrompue pendant une durée correspondant au passage des ions précurseurs d’intérêt.
Afin d’améliorer l’efficacité de la spectrométrie de masse en tandem avec des analyseurs TOF, il est possible d’ajouter une cellule de collision. Dans ce cas, les ions sont décélérés avant d’entrer dans la cellule, puis réaccélérés à sa sortie. Cette configuration permet de contrôler l’énergie de collision et d’obtenir une fragmentation plus efficace et reproductible. La cellule de collision peut alors être considérée comme une seconde source d’activation.
Les spectromètres de masse à analyseurs temps de vol équipés d’une cellule de collision sont appelés TOF/TOF, afin de les distinguer de ceux utilisant uniquement un réflectron.
Injection orthogonale
L’analyseur à temps de vol (TOF) exige que les ions soient produits sous forme de paquets, ce qui le rend incompatible avec les sources d’ions continues telles que la source électrospray. Par conséquent, le couplage direct entre les spectromètres de masse à analyseur temps de vol et la chromatographie en phase liquide ou gazeuse n’est pas possible.
Pour contourner ce problème, on utilise une source d’ions continue que l’on divise en plusieurs portions afin d’obtenir des paquets d’ions. La méthode la plus simple consiste à accumuler les ions produits en continu dans une région de stockage ; une fois cette région remplie, les ions sont extraits par l’application d’une impulsion électrique, puis l’espace est à nouveau rempli.
Cependant, il est nécessaire d’éviter la dispersion spatiale et énergétique des ions en direction du détecteur. Pour ce faire, les ions produits en continu sont injectés selon une direction x, perpendiculaire à la direction z dans laquelle les ions sont pulsés dans l’analyseur à temps de vol (Figure 5). Cette technique est appelée injection orthogonale [6].
En entrant dans l’analyseur TOF selon l’axe x, les ions ne possèdent pas d’énergie cinétique selon l’axe z ; en revanche, ils conservent leur énergie cinétique selon l’axe x. Par conséquent, l’injection orthogonale n’est pas strictement perpendiculaire. Malgré les précautions prises (notamment l’utilisation d’un faisceau ionique de faible largeur), la position des ions reste dispersée spatialement selon l’axe z. Néanmoins, l’utilisation de techniques telles que l’extraction retardée et les miroirs électrostatiques (réflectron) permet de minimiser cet effet.
L’injection orthogonale n’est pas uniquement utilisée pour l’injection directe des ions issus de la source ; elle permet également le couplage efficace entre un analyseur à temps de vol et un quadripôle (QqTOF). Dans ce cas, l’analyseur TOF fonctionne comme un troisième quadripôle dans un analyseur triple quadripôle. L’avantage principal de ce système réside dans la meilleure résolution du temps de vol par rapport au quadripôle. La résolution de ce spectromètre de masse hybride peut atteindre jusqu’à plusieurs dizaines de milliers FWHM, tandis que celle d’un triple quadripôle est d’environ 2 000 FWHM.
La technique d’injection orthogonale n’est pas limitée aux sources d’ions continues ; elle peut également être appliquée à la source d’ions MALDI (oMALDI-TOF) afin de réduire la dispersion de l’énergie cinétique selon l’axe z, causée par l’impact du laser dans la source MALDI. De plus, le système MALDI-QqTOF permet l’application de la collision induite des ions produits par MALDI et offre une efficacité supérieure à celle de la technique de Post-Source Decay (PSD).
Cette méthode présente néanmoins un inconvénient : la transmission ionique est inférieure à 100 %, contrairement au cas du MALDI-TOF classique.