Analyseur triple quadripôle - Mass-spectrometry

L’analyseur quadripôle

Un analyseur quadripolaire est constitué de quatre électrodes parallèles, de section hyperbolique ou cylindrique. Les électrodes opposées, séparées par une distance de , sont électriquement reliées entre elles et soumises au même potentiel (Figure 1).

Tandis que les électrodes adjacentes sont portées à des potentiels de même valeurs absolues mais de signe opposé correspondant à la superposition d’une tension continue et d’une tension alternative haute fréquence de pulsation . Cette configuration génère un champ électrostatique quadripolaire dans la région située entre les quatre électrodes. Lorsqu’ils pénètrent dans le quadripôle, les ions conservent leur vitesse longitudinale et progressent à travers l’analyseur. La différence de potentiel entre l’entrée et la sortie du quadripôle contribue par ailleurs au guidage des ions dans la direction axiale. Le mouvement des ions selon les directions transverses et est décrit par les équations de Mathieu. Pour un rapport donné, seules les espèces ioniques possédant une valeur de spécifique présentent des trajectoires stables tout au long du quadripôle. Ces ions atteignent alors le détecteur et sont enregistrés, tandis que les autres sont déstabilisés et éliminés.

Diagramme de stabilité (explication simple)

Le quadripôle est l’un des analyseurs les plus anciens utilisés en spectrométrie de masse. En termes de performances analytiques, notamment la résolution et la précision en masse, il est généralement considéré comme modéré par rapport à des analyseurs plus récents (TOF, Orbitrap, FT-ICR). En revanche, son principe de fonctionnement est l’un des plus complexes parmi les analyseurs de masse.

La trajectoire des ions dans le champ électrique quadripolaire est décrite par les équations de Mathieu, dont les solutions dépendent du rapport masse sur charge (m/z) de l’ion, des tensions appliquées U (continue) et V (alternative), ainsi que de la fréquence angulaire du champ radiofréquence. Bien que le mouvement des ions soit principalement gouverné par le champ quadripolaire, il est également influencé par des composantes parasites de champs dipolaires et hexapolaires, dues aux imperfections géométriques et électriques du système réel.

Le mouvement d’un ion dans un quadripôle peut être assimilé, de manière imagée, au mouvement d’un cheval de bois dans un manège : l’ion oscille transversalement sous l’effet du champ alternatif, tout en progressant longitudinalement vers la sortie de l’analyseur et le détecteur.

Pour déterminer les valeurs de U et V pour lesquelles un ion de m/z donné possède une trajectoire stable, on peut procéder de manière conceptuellement simple : on explore l’ensemble des couples possibles et on identifie ceux pour lesquels l’ion est stable pour être détecter par le détecteur. L’ensemble de ces points définit une région de stabilité pour un ion de m/z donné.

La figure 2 représente ainsi l’ensemble des points pour lesquels un ion donné peut traverser le quadripôle sans être déstabilisé et atteindre le détecteur. Cette représentation constitue le diagramme de stabilité, outil fondamental pour comprendre le principe de sélection de masse dans un analyseur quadripolaire.

Zone de stabilité d'un ion dans un quadripole — Figure 2: Zone de stabilité pour un ion de m/z donné dans un quadripôle.

Diagramme de stabilité par l’équation de Mathieu

L’explication simplifiée sert uniquement à faciliter la compréhension du principe général. En pratique, pour établir les diagrammes de stabilité et décrire le comportement de l’ensemble des ions, il est nécessaire de résoudre les équations de Mathieu, qui permettent de déterminer précisément les trajectoires ioniques dans le champ quadripolaire.

Le mouvement d’un ion dans un quadripôle résulte d’une succession rapide de phases focalisantes et défocalisantes. Pour décrire ce mouvement de manière rigoureuse, il est nécessaire d’exprimer mathématiquement l’action du champ électrique oscillant sur l’ion.

Du champ électrique au mouvement

Le champ quadripolaire appliqué aux ions dépend à la fois :

de la position de l’ion (champ non uniforme),
et du temps (présence de la tension RF).

Ainsi, la force exercée sur un ion n’est ni constante ni linéaire dans le temps. Lorsque l’on applique la deuxième loi de Newton à un ion soumis à ce champ, on obtient une équation différentielle dont le coefficient varie périodiquement dans le temps.

Apparition naturelle de l’équation de Mathieu

Après une mise sous forme adimensionnelle, les équations du mouvement suivant les axes transverses et prennent la forme de l’équation de Mathieu :

où u représente la position de l’ion selon x ou y, et r est une variable de temps sans dimension.

Cette équation est typique des systèmes soumis à un forçage périodique, et ses solutions peuvent être soit stables, soit instables, selon les valeurs des paramètres a et q.

Signification physique des paramètres a et q

Les paramètres et traduisent l’influence des tensions appliquées et des propriétés de l’ion :

a est lié à la tension continue (DC),
q est lié à l’amplitude de la tension radiofréquence (RF),
tous deux dépendent du rapport masse/charge m/z.

Changer U, V ou m/z revient donc à modifier les valeurs de a et q, et par conséquent la nature de la trajectoire ionique.

Lien avec la stabilité des ions

L’intérêt fondamental de l’équation de Mathieu est qu’elle permet de prédire :

si la trajectoire d’un ion reste bornée (ion transmis),
ou si elle devient divergente (ion éliminé).

Les régions du plan (a, q) pour lesquelles les solutions sont stables définissent les zones de stabilité du quadripôle, utilisées pour la sélection des ions en spectrométrie de masse.

Lecture intuitive finale

On peut ainsi résumer :

le quadripôle impose aux ions un mouvement oscillant gouverné par l’équation de Mathieu,
et seuls les ions dont les paramètres a et q se situent dans une zone de stabilité conservent une trajectoire confinée.

En balayant simultanément U et V à rapport constant, cela sélectionner successivement différentes valeurs de m/z (Figure 3). Le quadripôle agit ainsi comme un filtre de masse, dont la résolution dépend de la pente de la droite de fonctionnement et de la longueur de l’analyseur.

Figure 3: Diagramme de stabilité des ions dans un quadripôle

La figure 3 montre la superposition des diagrammes de stabilité pour différents ions. Lorsque les valeurs de et sont augmentées proportionnellement (ligne de scan à constant), les ions traversent le quadripôle un par un, en fonction de leur rapport . Ce mode correspond au fonctionnement classique du quadripôle en tant que filtre de masse.

Le quadripôle peut également être utilisé comme guide d’ions. Dans ce cas, la tension continue est nulle, et seule la tension alternative est appliquée. Théoriquement, lorsque , tous les ions peuvent traverser le quadripôle. Cependant, dans cette situation, le pseudo-potentiel de confinement est très faible, ce qui entraîne une mauvaise transmission des ions. Lorsque , l’ion de faible est bien confiné et traversent facilement le quadripôle, tandis que les ions de élevé sont mal focalisés en raison de leur pseudo-potentiel plus faible. À une valeur plus élevée , les ions de faible (par exemple et ) deviennent instables et ne peuvent plus traverser le quadripôle. À ce même voltage, le pseudo-potentiel de l’ion est maximal, ce qui correspond à une transmission optimale pour cet ion.

En pratique, pour optimiser la transmission d’une gamme de masses donnée, on choisit une valeur de correspondant au maximum de transmission d’un ion situé au centre de cette gamme. Cette approche est particulièrement utile dans les instruments hybrides, où le quadripôle est utilisé comme guide d’ions afin de focaliser une plage de masses avant leur injection dans d’autres analyseurs, tels que le piège ionique ou le FT-ICR. La focalisation d’une gamme de masse permet de limiter la surcharge ionique des analyseurs en aval et de réduire les effets de charge d’espace. Le quadripôle présente ainsi un excellent pouvoir de focalisation, mais sa transmission globale reste limitée.

Résolution et sensibilité

Le quadripôle est un analyseur de masse à basse résolution. Comme le montre le diagramme de stabilité (figure 3), la résolution et la sensibilité dépendent directement de la trajectoire suivie dans le plan , définie par le rapport entre les tensions continue (DC) et radiofréquence (RF).

Pour augmenter la résolution, on peut accroître la pente de la droite de balayage, de manière à ne traverser que le sommet des zones de stabilité associées à chaque ion. Cette condition restreint fortement la plage de stabilité, ce qui permet une meilleure séparation des ions de rapports $m / z$ très proches. En revanche, cette amélioration de la résolution se fait au détriment de la sensibilité : la durée pendant laquelle un ion reste stable est très courte, ce qui réduit le nombre d’ions transmis et donc l’intensité du signal détecté.

À l’inverse, en diminuant la pente de la droite de balayage, on élargit la zone de stabilité traversée, ce qui augmente le temps de transmission des ions et améliore ainsi la sensibilité. Toutefois, dans ces conditions, des ions de rapports très proches peuvent être transmis simultanément, ce qui entraîne une dégradation de la résolution.

Par ailleurs, le quadripôle est un analyseur séquentiel : les ions sont sélectionnés et détectés un par un. Par conséquent, l’acquisition d’un spectre en mode balayage complet (full scan) peut être relativement lente, en particulier lorsque la gamme de masse est large, ce qui constitue une limitation supplémentaire en termes de rapidité d’analyse. Le mode de fonctionnement quadripolaire n’est compatible qu’avec des sources d’ionisation continues, telles que l’électrospray (ESI) ou l’ionisation électronique (EI). Il n’est donc pas possible de coupler directement un quadripôle avec une source d’ionisation produisant des ions par paquets, comme le MALDI.

Le triple quadripôle

Le quadripôle peut être couplé à pratiquement tout type d’analyseur de masse. Il est souvent indispensable, notamment lorsque les ions doivent être transférés d’une région à pression élevée vers une région à plus basse pression, comme c’est le cas pour les instruments utilisant une source d’ionisation externe. En outre, le quadripôle possède un fort pouvoir de focalisation, qui permet d’éliminer les ions non pertinents avant leur analyse. Cette sélection préalable limite la surcharge du détecteur et réduit les effets de charge d’espace, améliorant ainsi la stabilité et la qualité du signal.

Grâce à cette polyvalence, le quadripôle peut être associé à un ou plusieurs autres quadripôles. Cette configuration conduit au spectromètre de masse à triple quadripôle (Figure 4), dans lequel les ions sont successivement filtrés, fragmentés puis analysés. Ce type d’instrument est particulièrement adapté aux analyses ciblées, offrant une excellente sélectivité et une grande sensibilité. De nos jours, dans les triple quadripôles modernes, le deuxième quadripôle est remplacé par une cellule de collision, souvent constituée de plusieurs lentilles électrostatiques. Cette cellule n’est donc plus un quadripôle à proprement parler, mais, par habitude, on continue à appeler cette configuration un triple quadripôle.

Triple quadripole — Figure 4: L’analyseur de masse triple quadripolaires

Modes de fonctionnement du triple quadripôle

Le spectromètre de masse à triple quadripôle peut fonctionner selon plusieurs modes d’analyse, chacun répondant à un objectif analytique spécifique.

1. Mode « descendant » (Product Ion Scan)

Le mode dit « descendant » permet d’identifier les ions fils issus de la fragmentation d’un ion parent donné.
Ce mode est le plus classique et l’un des plus couramment utilisés.

Dans ce mode de fonctionnement :

le premier quadripôle (Q1) est réglé à des valeurs fixes de tensions continue (U) et radiofréquence (V), de manière à ne laisser passer qu’une seule population d’ions de rapport m/z donné (ion parent) ;
ces ions sélectionnés sont ensuite transférés dans la cellule de collision (q2), où ils subissent une fragmentation par collision avec un gaz neutre ;
le troisième quadripôle (Q3) fonctionne en mode balayage (scan) : les tensions U et V sont augmentées progressivement afin d’analyser l’ensemble des ions fils issus de la fragmentation.

Ce mode permet donc d’obtenir le spectre de fragmentation d’un ion parent spécifique.

2. Mode « ascendant » (Precursor Ion Scan)

Le mode « ascendant » permet d’identifier tous les ions parents capables de générer un ion fragment de m/z donné.

Dans ce mode :

le troisième quadripôle (Q3) est fixé à des valeurs de tensions U et V correspondant à un ion fragment spécifique ;
le premier quadripôle (Q1) fonctionne en mode scan : ses tensions augmentent progressivement, permettant à tous les ions d’entrer successivement dans la cellule de collision ;
les ions sont fragmentés dans q2, mais seuls les fragments correspondant au m/z sélectionné par Q3 peuvent traverser ce dernier et atteindre le détecteur.

Le spectre obtenu est particulier : bien que le détecteur reçoive uniquement les ions fragments, le spectre affiché correspond aux ions parents. En effet, le système informatique associe le signal détecté aux tensions appliquées au Q1 au moment de la détection, ce qui permet d’identifier les ions parents responsables de la formation du fragment sélectionné.

Dans ce mode, on peut considérer que le Q3 joue un rôle actif dans la détection, agissant comme un filtre intégré au détecteur.

3. Mode « perte neutre » (Neutral Loss Scan)

Le mode « perte neutre » permet d’identifier tous les ions capables de perdre un neutre de masse donnée lors de la fragmentation.

Le fonctionnement repose sur un balayage synchronisé :

le Q1 scanne les ions en augmentant progressivement les tensions, permettant à toutes les espèces ioniques d’atteindre la cellule de collision et de se fragmenter ;
simultanément, le Q3 scanne également, mais avec un décalage constant de tension par rapport à Q1 ;
ce décalage correspond à la masse du neutre perdu.

Ainsi, si un ion parent de masse m se fragmente en perdant un neutre de masse n, l’ion fragment de masse (m − n) sera transmis par le Q3 et détecté. Si la perte neutre ne correspond pas à la masse définie, aucun ion n’atteint le détecteur et l’ion parent n’apparaît pas dans le spectre.

Dans ce mode, le Q3 agit comme un détecteur dynamique, sensible uniquement aux fragments correspondant à une perte neutre spécifique.

Mode d’analyse ciblée (MRM – Multiple Reaction Monitoring)

Le mode MRM est l’un des modes de fonctionnement les plus importants et les plus utilisés du spectromètre de masse à triple quadripôle, en particulier pour les analyses ciblées quantitatives.

Dans ce mode :

le premier quadripôle (Q1) est réglé sur des valeurs fixes de tensions afin de ne laisser passer qu’une population d’ions de rapport m/z donné, correspondant à l’ion parent d’intérêt ;
les ions sélectionnés sont ensuite fragmentés dans la cellule de collision (q2) ;
le troisième quadripôle (Q3) est également fixé sur un ion fragment spécifique issu de la fragmentation de l’ion parent.

Ainsi, seule une transition précise (ion parent → ion fragment), appelée transition MRM, est surveillée.

Le fait que le Q1 soit fixé sur un m/z unique permet aux ions ciblés de séjourner plus longtemps dans l’analyseur, augmentant ainsi leur probabilité de transmission. Le Q3 agit comme un second filtre très sélectif, éliminant les ions de m/z identique ou très proche de l’ion parents.

Ce double filtrage confère au mode MRM :

une sensibilité très élevée,
une réduction drastique du bruit de fond,
et une excellente sélectivité, même dans des matrices complexes.

Grâce à ces caractéristiques, le mode MRM est particulièrement adapté aux analyses quantitatives, à la détection de traces et aux applications nécessitant une grande robustesse analytique.