Principe et fonctionnement du piège ionique (Ion Trap)
Le piège ionique, également appelé piège de Paul, est un analyseur de masse dont le principe de fonctionnement repose sur le confinement des ions dans un champ électrique quadrupolaire oscillant. Bien que son architecture expérimentale soit relativement simple, la description théorique du mouvement des ions dans ce type de champ est particulièrement complexe.
Principe général (approche simplifiée)
De manière intuitive, le fonctionnement d’un piège ionique peut être assimilé à celui d’une boîte dans laquelle l’ensemble des ions est d’abord confiné simultanément. En modulant ensuite les tensions appliquées aux électrodes, les ions sont éjectés sélectivement vers le détecteur, un par un, en fonction de leur rapport masse/charge (m/z). Cette éjection sélective constitue la base de l’analyse en spectrométrie de masse par piège ionique.
Description détaillée du piège ionique tridimensionnel
Le piège ionique tridimensionnel est constitué de trois électrodes :
-
une électrode annulaire (ring electrode), sur laquelle sont appliquées simultanément une tension continue (DC) et une tension alternative radiofréquence (RF) ;
-
deux électrodes chapeaux (end-cap electrodes), disposées symétriquement de part et d’autre de l’électrode annulaire (figure 1).
Le volume central du piège, dans lequel les ions sont confinés, est relativement réduit, de l’ordre de 1 cm³. Cette contrainte limite intrinsèquement le nombre d’ions pouvant être stockés simultanément. Par ailleurs, les ions de même signe se repoussent mutuellement en raison des interactions coulombiennes, ce qui tend à augmenter l’amplitude de leurs trajectoires et à déstabiliser le confinement.
Afin de limiter ces effets et d’améliorer la capacité de piégeage, un gaz tampon à très basse pression, généralement de l’hélium, est introduit dans le piège. Les collisions ion–gaz provoquent une dissipation de l’énergie cinétique, réduisant la vélocité des ions et favorisant leur recentrage vers le centre du piège. Ce mécanisme permet ainsi de stocker un plus grand nombre d’ions tout en améliorant la stabilité de leurs trajectoires.
Dynamique du mouvement ionique
Sous l’action du champ électrique quadrupolaire oscillant, les ions se déplacent en fonction de leur rapport m/z. Leur mouvement est complexe et résulte de la superposition de deux composantes principales :
-
un mouvement séculaire lent, correspondant à l’oscillation moyenne de l’ion dans le champ,
-
des micromouvements rapides, directement induits par la radiofréquence appliquée.
La trajectoire globale des ions peut être assimilée à une forme de “huit” tridimensionnelle, centrée autour du point d’équilibre du piège.
Stabilité du confinement et équation de Mathieu
Étant donné que le piège ionique est un système tridimensionnel, la stabilité du confinement doit être assurée simultanément selon les trois axes de l’espace (x, y et z). Les axes x et y étant équivalents par symétrie, ils sont généralement regroupés en un paramètre radial (r), ce qui permet de simplifier le traitement mathématique.
Le mouvement des ions dans ce champ électrique est décrit par l’équation de Mathieu. La résolution de cette équation permet de définir des régions de stabilité et d’instabilité, qui dépendent à la fois des paramètres électriques appliqués (tensions DC et RF) et du rapport m/z des ions. Seuls les ions dont les trajectoires se situent dans les zones de stabilité peuvent être confinés durablement dans le piège, ce qui constitue le fondement du principe de séparation et d’analyse en spectrométrie de masse par piège ionique.
Il est nécessaire de comprendre que le mouvement des ions dans un ion trap est décrit par l’équation de Mathieu, de la même manière que dans un quadripôle. La différence fondamentale avec le quadripôle réside toutefois dans le mode de fonctionnement : dans un ion trap, tous les ions sont confinés simultanément, alors que dans un quadripôle, les ions traversent l’analyseur et seuls ceux ayant un rapport m/z donné sont transmis.
Le diagramme de stabilité des ions est mathématiquement identique à celui du quadripôle. Cependant, pour des raisons de compréhension et de représentation, on adopte une autre forme du diagramme de stabilité dans laquelle tous les ions sont initialement stables (Figure 3). Pour permettre leur détection, la tension appliquée est ensuite progressivement augmentée, ce qui rend successivement les ions instables ; ils sont alors éjectés du piège et détectés.
La Figure 3 (droite) montre le diagramme de stabilité des ions dans un piège ionique, dans lequel les ions sont représentés en fonction des paramètres az . Pour des raisons pratiques, la tension continue U est fixée à zéro, et le fonctionnement s’effectue uniquement en faisant varier la tension radiofréquence V, laquelle est proportionnelle au paramètre qz (équation 1).
Lorsque la valeur de qz d’un ion dépasse 0,908, celui-ci devient instable et est éjecté du piège vers le détecteur. D’après l’équation 1, le paramètre qz est inversement proportionnel à la masse de l’ion. Par conséquent, les ions de faible rapport m/z sont éjectés du piège en premier, tandis que les ions de masse plus élevée restent confinés plus longtemps.
Isolement et excitation
Isolement
Les ions piégés dans un piège ionique sont caractérisés par deux fréquences séculaires : une fréquence radiale et une fréquence axiale [2]. Le mouvement des ions dans le piège ionique s’effectue selon des fréquences séculaires propres, qui dépendent de leur rapport masse/charge (m/z).
Pour éliminer les ions indésirables, on applique une tension alternative sur les électrodes chapeaux, dont l’amplitude est constante et suffisamment élevée, tandis que la fréquence axiale est augmentée progressivement. Ce procédé, appelé balayage de fréquences, conduit à l’éjection successive des ions hors du piège.
Afin de conserver captive une population d’ions correspondant à une masse donnée, il suffit d’omettre la fréquence associée à cette population. En pratique, on omet généralement une plage de fréquences centrée autour de la fréquence séculaire de l’ion d’intérêt ; la largeur de cette plage définit la fenêtre d’isolement (Figure 4). Plus la fenêtre d’isolement est étroite, plus le spectre obtenu est sélectif. Toutefois, une fenêtre trop étroite peut entraîner l’éjection partielle ou totale des ions d’intérêt.
Excitation
Une fois une population d’ions de m/z donné isolée, il est possible de la manipuler. L’étape la plus courante consiste à exciter les ions afin de leur fournir une énergie interne suffisante pour provoquer leur fragmentation.
Dans un premier temps, la valeur de la tension radiofréquence V est ajustée de façon à ce que le paramètre qz des ions précurseurs ne soit pas trop proche de la valeur limite qmax = 0,908. En effet, si qz est trop proche de cette limite, les ions fragments produits (qui sont généralement plus faible m/z) risquent de se situer hors du diagramme de stabilité et d’être immédiatement éjectés du piège (figure 5 gauche). À l’inverse, si qz est trop proche de zéro, le pseudo-potentiel de confinement devient très faible, ce qui peut entraîner l’éjection des ions précurseurs avant leur fragmentation [3,4] (Figure 5 droit).
La valeur optimale de qz est choisie par l’utilisateur en fonction de la nature des ions (stabilité des liaisons covalentes et non covalentes) ainsi que du plus petit m/z des ions fragments recherchés.
L’excitation est réalisée en appliquant sur les électrodes chapeaux une tension alternative de faible amplitude (quelques centaines de millivolts), dont la fréquence correspond à la fréquence séculaire de la population d’ions d’intérêt. Les ions excités entrent alors en collision avec des molécules neutres du gaz tampon et acquièrent progressivement de l’énergie interne jusqu’à atteindre le seuil de fragmentation.
Ce mécanisme correspond à un chauffage lent, résultant de collisions multiples, au cours desquelles la température effective des ions augmente progressivement. Il convient de noter que ce mode d’excitation ne conduit généralement pas à une fragmentation consécutive (ou seulement de manière très rare), car les ions fils, une fois formés, ne sont plus excités et ne possèdent pas une énergie interne suffisante pour se fragmenter à nouveau.
Effet de charge d’espace
La région centrale dans laquelle les ions sont confinés dans un piège ionique est relativement restreinte (≈ 1 cm³). Par conséquent, le nombre d’ions pouvant y être stocké est limité, et est généralement estimé à environ 10⁵ ions [5]. Les ions portant des charges de même signe se repoussent mutuellement en raison de l’interaction coulombienne, ce qui entraîne une dégradation de la résolution du spectre de masse.
En effet, la population d’ions de même m/z, qui devrait idéalement être confinée en un point au moment de la détection, se trouve élargie spatialement sous l’effet de la charge d’espace. Cet effet ne provoque pas uniquement une perte de résolution, mais peut également conduire à l’apparition d’ions fantômes [5]. Ces ions sont éjectés du piège pour des valeurs de qz < 0,908, sous l’influence de champs électriques non idéaux tels que les champs dipolaires, hexapolaires, etc. [6].
De plus, l’effet de charge d’espace entraîne un déplacement du diagramme de stabilité, soit vers la gauche soit vers la droite, selon le signe et la densité de charge des ions. Dans ces conditions, la précision de masse n’est plus garantie.
Gamme de masse
Théoriquement, tous les ions peuvent être stockés dans un piège ionique. Cependant, l’éjection des ions de fort rapport m/z est limitée par la valeur maximale de la tension radiofréquence V. En pratique, cette tension ne dépasse généralement pas 7 500 V, en raison des risques de décharge électrique entre les électrodes.
D’après l’équation (1), en considérant V = 7 500 V, qz < 0,908 et une fréquence Ω = 1 MHz, la masse maximale pouvant être éjectée selon l’axe z vers le détecteur est d’environ 650 Th. Pour étendre la gamme de masse accessible, il est possible de diminuer le rayon caractéristique r₀ ou la fréquence Ω.
Résolution
La résolution des analyseurs à piège ionique est étroitement liée à la vitesse de balayage des ions. Plus cette vitesse est faible, meilleure est la résolution, car l’intervalle de temps séparant l’éjection d’ions de m/z différents devient plus important.
La vitesse de balayage standard est d’environ 5 555 Da/s. À cette vitesse, les instruments antérieurs à 1995 permettaient d’atteindre une résolution d’environ 1 300 pour des ions de m/z ≈ 650. Grâce aux améliorations technologiques récentes, il est aujourd’hui possible, en réduisant la vitesse de balayage, d’atteindre des résolutions de l’ordre de plusieurs dizaines de milliers.
La trappe linéaire (piège ionique 2D)
L’effet de charge d’espace constitue une limitation importante pour le piège ionique tridimensionnel (3D), principalement en raison de son volume réduit. Comme indiqué précédemment (équation 4), une augmentation des dimensions du piège entraîne une diminution de la masse maximale analysable.
La solution consiste à augmenter le volume de confinement dans le plan x–y sans modifier l’axe z, ce qui est rendu possible par le piège ionique linéaire (2D). Celui-ci est constitué de quatre barres métalliques, similaires à celles d’un analyseur quadripolaire [7], tandis que des tensions sont appliquées aux électrodes situées aux extrémités afin d’assurer le confinement axial des ions.
Le principe de fonctionnement du piège linéaire est similaire à celui du piège 3D, et le diagramme de stabilité reste inchangé. Les ions sont également refroidis par collisions avec un gaz tampon (généralement l’hélium) afin de réduire leur énergie cinétique. L’avantage principal du piège ionique 2D réside dans sa capacité à stocker un nombre beaucoup plus élevé d’ions, ainsi que dans la possibilité de placer le détecteur selon l’axe z pour collecter efficacement l’ensemble des ions éjectés.