Histoire de la spectrométrie de Masse

éléments d’une histoire de la Spectrométrie
de Masse
Olivier Laprévote
CJSM, Saint-Dié, 2007
1
1910
Instrumentation
Les prémisses …
1886: Les « raies positives » sont découvertes par
Goldstein dans un tube à décharge électrique sous une
pression faible:
En utilisant une cathode perforée, il observe des
flammes lumineuses qui passent à travers des
perforations (ou canaux) dans l’espace derrière la
cathode. Ils les appelle « Kanalstrahlen »..
•1898, 1902: Wien montre que ces raies sont déviées
dans des champs magnétiques et électriques. Elles sont
donc caractérisées comme des particules positivement
chargées avec des valeurs de charge spécifique bien
plus faibles que celle de l’électron.
1926
Ionisation
1968
Applications
•1897: Thomson démontre l’existence des électrons. Il
s’intéresse donc à la contrepartie « positive » de ces
particules et donc aux « raies positives ».
2
1910
Sir Joseph John Thomson
(1856 - 1940)
Cambridge University
Prix Nobel de Physique, 1906:
« En reconnaissance des grands mérites de ses études
théoriques et expérimentales sur la conduction de l'électricité par
des gaz."
"Au
début très peu ont cru en l’existence de ces corps plus petits
que des atomes. Il m’a même été dit, longtemps après par un
physicien distingué qui avait été présent à ma conférence de
1897 à l'établissement royal qu'il avait pensé que je m'étais
moqué d'eux."
J.J. Thomson (1936). Recollections and Reflections. G. Bell and Sons:
London. p. 341.
Analyse des raies formées par les ions positifs
3
1910
Raies formées à
partir d’un tube
contenant des
vapeurs de
mercure (a), d’air
(b), de l’hélium
(c), et de
l’hydrogène (d)
C: cathode perforée
MM: électroaimant
PP: plaques connectées à une batterie
S: écran
4
Rays of positive electricity
Joseph John Thomson
Proceedings of the Royal Society A 89, 1-20 (1913)
1913
1.Dans des champs E et B parallèles, les ions
sont séparés en fonction de leur rapport e/m.
2.Dans un champ E de longueur x, l’accélération
d’un ion correspond à Ee/m cm.sec-2
3.Si v est la vitesse de l’ion, il traversera le champ
E en x/v secondes
4.Il va donc subir un déplacement vertical z :
z = ½ (Ee/m)(x/v)2 cm
5. Dans un champ magnétique uniforme B, la
particule est déviée selon y avec une accélération
de Bev/mc cm.sec-2.
6. D’où:
y = ½ Bex2/mcv cm
Les raies sont des paraboles telles que y2 = k.z
5
1913…
RESULTATS
Les raies positives sont constituées de fragments
massifs issus de la perte d’un ou plusieurs
électrons à partir des atomes ou molécules.
Le néon est composé de deux isotopes, l’un de
poids atomique 20, l’autre de poids atomique 22.
Il existe donc des isotopes même pour des
éléments qui sont stables.
6
1919
Francis William Aston
(1877 - 1945)
Cambridge University
Prix Nobel de Chimie, 1922
“Pour sa découverte, au moyen de son spectrographe de masse des
isotopes d’un grand nombre d’éléments non radioactifs et de son
énonciation de la règle des nombres entiers”
Le premier spectromètre de masse
7
1918
Phys. Review, 1918, XI, 316
Spectrographe de masse
de Aston
Non représenté: tube de décharge (à gauche)
S1, S2: fentes fines
P1, P2: champ électrique homogène
D: diaphragme
O: axe du champ magnétique homogène
plan G-B : plan focal de l’aimant.
8
1919
9
1919
La règle des nombres entiers
s’applique à tous les éléments
stables. Les valeurs non entières de
leurs poids atomiques ne sont dues
qu’à la composition des isotopes qui
les constituent.
Prout, 1815
10
1917
Arthur Jeffrey Dempster
(1886 - 1950)
University of Chicago
Prémisses: montage expérimental de Classen ayant
permis de mesurer la masse de l’électron (1907)
Premier spectrographe de masse de
Dempster
A: zone analytique (aimant);
B, C: parois de la chambre à vide;
D: diaphragme destiné à l'élimination des
ions réfléchis;
E: unité de détection;
G: source d'ions;
S1 et S2 sont respectivement les fentes de
la source et du collecteur.
11
1917
Arthur Jeffrey Dempster
(1886 - 1950)
University of Chicago
1.
Dempster impose une tension d’accélération V0
aux ions issus de la source:
Faisceau monoénergétique: Ec = ½ mv2 = qV0
2.
Dans le champ magnétique force centrifuge et
centripète s’équilibrent:
qvB = mv2/r
d'où:
r = mv/qB
3.
Donc :
m/q = B2r2 / 2 V0
En gardant B constant et en adoptant
différentes valeurs de V0, on obtient
un spectre de masse !
12
1917-1922
RESULTATS
Découverte des isotopes de: Li, K, Ca, Zn, Mg
puis ... de 235U.
13
1934
Zeitschrift fur Physik, 1934, 89, 786
Principe de l’utilisation d’un « filtre » en énergie: le
champ électrostatique:
Si un ion incident de vitesse v, de masse m, et de charge q,
subit l'effet d'un champ électrostatique E, il adopte une
trajectoire circulaire uniforme telle que la force centrifuge
(mv2/r') équilibre la force centripète (qE):
mv2/r' = qE
Josef Mattauch
Richard Herzog
d'où:
E = 2Ec/qr'
En conséquence, l'ajout d'un champ électrostatique sur le
trajet ionique joue le rôle de filtre d'énergie cinétique à la
condition que r' demeure constant (on impose r' par
construction du tube de vol). Par ailleurs, si le faisceau
ionique est préalablement accéléré par une différence de
potentiel V0, ce qui est généralement le cas, le paramètre q
n'intervient plus dans l'équation. On obtient en effet:
E = 2V0/r'
Spectromètre de masse à double focalisation
14
1934
Spectromètre (E-B) de Mattauch et Herzog
La détection est réalisée sur le plan focal de l’aimant.
Principe: la dispersion en vitesse liée au champ electrostatique est
compensée par le champ magnétique. La dispersion en direction
dans l’aimant (liée à l’énergie cinétique) est compensée par le champ
électrostatique.
Autres groupes: Hugues et Rojanski (1929), Barber (1933), Henneberg (1934), Stephens (1934),
Brüche et Scherzer (1934), Smythe (1934), Dempster (1935), Bainbridge et Jordan (1936)
15
Ernest Lawrence et le calutron (Oak Ridge, Tn)
1942-1944
Le calutron, spectromètre de masse
dérivé de l’instrument de Dempster
fournit l’uranium-235 nécessaire à la
construction de la première bombe
atomique.
(Manhattan project)
16
1942-1944
Ernest Lawrence (1935)
17
Le calutron
1944
18
Alfred O. C. Nier (1911 - 1994)
Université du Minnesota
1940-1945
Les spectromètres “magnétiques”
prennent toute leur importance au début de
la seconde guerre mondiale.
Parallèlement à sa participation au
projet Manhattan, les instruments
magnétiques à double focalisation
développés par Nier permettent la
séparation des isotopes 235U et 238U.
Nier isole par ailleurs le premier
échantillon de plutonium (10-9 g).
SM préparative !
19
1953
1. Focalisation en 1 point.
2. Balayage de l’aimant à champ
electrostatique constant
3. Performances en résolution
accrues par rapport au procédé de
Mattauch-Herzog
20
1955
Determination of Isotopic Masses and Abundances by Mass
Spectrometry
Alfred O. C. Nier
Science 27 May 1955: 737-744
John Beynon + Metropolitan Vickers
AEI MS8, MS9, MS50, MS80
JEOL
Spectromètres Mat (Finnigan)
Kratos
VG, puis Fisons, puis
21
Micromass, puis Waters
1971-1973
R. Graham Cooks
Design and performance of a mass-analyzed ion kinetic energy
(MIKE) spectrometer
J. H. Beynon, R. G. Cooks, J. W. Amy, W. E. Baitinger, T. Y
Ridey
Anal. Chem., 45 (12), 1023A-1031A
Spectromètre de masse à double focalisation inversée (B-E)
Analyse des décompositions métastables ou induites par
collision
Mesure de m/z des fragments (E* = (m2/m1).E0)
Principe:
Sélection de l’ion précurseur par le secteur magnétique
Dissociation en 2nde région sans-champ
Analyse des fragments par balayage du secteur électrique
22
Analyse structurale
(précurseur de la
MS/MS)
1971-1973
Spectres CID-MIKE de deux composés stéréoisomères (IE, 20 eV, collision 8 KeV)
Défaut de résolution ??
23
Oui, mais …
1971-1973
Mesure de l’energy
release liée à des
processus de
dissociation
métastables
24
1948
Et pendant ce temps là, … la mesure du temps de vol (TOF)
Principe:
mv2
= zeV
2
t=
m
xL
2zeV
25
1955
Premier TOF avec accélération à 2
étages + extraction retardée
26
1964
Premier TOF commercial : « Bendix » TOF
(conception Wiley)
27
Soviet Physics – Technical
Physics, 16 (7), 1177 (1972)
1972
Gain de 2 ordres
de grandeur sur
la résolution
1
6
2
5
3 4
Un ion focalisé sur le plan 1 traverse la
région sans champ 2 , est ralenti par le
champ du premier condensateur 3, est
réfléchi par le champ du second
condensateur 4, est réaccéléré par le
champ du premier condensateur 3 ,
traverse la région sans champ 5 puis
arrive sur le plan du collecteur 6.
« L’idée du système est que les variations du temps de transit dans les espaces libres de champ 2 et 5 dues
aux variations des énergies des ions sont compensées par les variations correspondantes du temps de transit
des ions dans les régions de décélération et de réflexion 3 et 4.»
28
1973
Soviet Physics – JETP, 37 (1), 45 (1973)
M/ΔM = 3500 !!
29
Et les quadripôles ?
Wolfgang Paul
(1913 - 1993)
Université de Bonn
1953
Prix Nobel de Physique, 1989
« Pour le développement de la technique des pièges à ions."
Il n’y a pas encore d’expérience, rien que des calculs !
30
Et la résonance cyclotronique ionique ?
1949
Phys. Rev., 1949, 76(12), 1877
1. Un champ magnétique permanent
2. Une tension électrique Rf variable
3. Les ions résonants sont portés à
une orbite de 1 cm de rayon et
détectés par impact sur les parois.
31
25 ans plus tard …
1974
1. Ions CH4+ formés dans la
cellule
2. Pulse 20 mV, 307 kHz
durant 2,8 msec
3. Aimant de 0,32 T
4. Enregistrement sur bande
magnétique (102 msec)
5. Transformée de Fourier
32
33
Formation des ions
1886 - 1965
- Dès 1886, les ions proviennent de décharges dans des gaz à faible
pression (Goldstein)
- En 1918, Dempster met au point l’ionisation de surface à partir de sels
déposés sur des filaments
- La source d’ionisation par impact électronique est développée par
Bleakney (1929) puis Nier (1940 & 1947), elle ouvre la voie à l’analyse
des substances organiques et devient, de loin, la méthode la plus
utilisée …
34
L’ionisation chimique
1966
35
Abondance des ions réactifs
en fonction de la pression
1966
Réactions conduisant à la
formation des ions réactifs du
méthane
Dépendance à la pression
des ions formés
36
Du spectre du propionate
d’heptyle…
1966
Aux
mécanismes
d’ionisation et
de
fragmentation
37
1968
1968
Échantillons : polystyrène de PM moyen 51000 à 411 000
Mode d’ionisation négatif
Solvant: benzène/acétone 3:2 (v:v)
Le courant ionique
est mesuré par une
cage de Faraday
précédée par des
grilles portées à des
potentiels négatifs
(repousseurs). En
assumant une
vitesse des ions
identique à celle du
jet supersonique
émergeant du
système nozzleskimmer, la mesure
de l’énergie des ions
conduit directement à
celle de la masse.
38
1968
1968
Mesure des potentiels d’arrêt
Ions multichargés et agrégats
Puis … presque 20
ans d’oubli…
39
Une technique qui, elle, ne sera pas oubliée: la désorption de champ
1966-1969
1966-1969
Research/Development, 1969, 20(11), 26
!!!
Vue d’un émetteur FI-FD
1. Une anode recouverte de dendrites organiques
est placée à 2 mm d’une cathode (ddp 10 kev)
2. Le champ local (5.107 V/cm) ionise les
molécules par effet tunnel (FI) et les ions sont
désorbés sous le double effet du champ et
40
d’un chauffage modéré (FD)
État de l’art en 1970
1910
Instrumentation
en développement
Spectromètres EB
Nier-Johnson
Spectromètres BE
Quads
FTICR
TOF
MS/MS
1926
Ionisation
1968
Applications
IC
IE
SM isotopique
Chimie structurale
Molécules
naturelles volatiles
(M+. ± stables)
Molécules volatiles
(M+. non stables
[M+H]+ ± stables )
FI/FD-MS
ESI
Chimie structurale
Molécules non
volatiles polaires
Macromolécules
41
Développement des sources à pression atmosphérique
Objectif: le couplage LC/MS
1975
1975
Anal. Chem., 47 (14), 2369 (1975)
- Aucune technique n’existe
encore pour l’analyse directe
de macromolécules
biologiques.
- La première source APCI ne
s’adresse encore qu’à des
composés volatils séparés par
HPLC en phase normale
-On sent bien, pourtant, que
les sources API peuvent être la
42
solution …
APCI
M+.
APCI
1975
[M-H]+
1975
IE
IE
benzène
hexane
APCI
!!!
43
Dès le début des années 1960, Klaus Biemann comprend l’intérêt que
peut représenter la spectrométrie de masse pour l’analyse des
peptides…
1966
K. Biemann
J. Am. Chem. Soc., 88 (23), 5598 (1966)
-Les échantillons sont des di- à
pentapeptides diversement acylés
en position N-terminale
-Les composés sont ionisés par IE
-Les spectres sont interprétés selon
une nomenclature précise …
… sans que les mécanismes de
fragmentation ne soient encore
proposés.
44
Fragment « aminoacyle »
Fragment « amine »
Première assistance informatique à l’interprétation:
1966
45
1976
Science, 191, 920-925 (1976)
46
1976
47
1974
Mode d’ionisation: IE
Énergie de collision: 10 eV
Temps de résidence des ions dans la
cellule de collision: 5.10-5 sec
Tolérance aux hautes pressions de gaz
de collision (5.10-4 Torr)
Peu de perte due à la dispersion
angulaire
Modification de l’énergie de collision
aisée.
Outil versatile, idéal pour
l’analyse structurale et l’étude
de mélanges complexes
48
1981
1981
Nature, 293, 270-275 (1981)
Dilution de l’échantillon dans une matrice liquide,
polaire, à faible tension de vapeur: la
volatilisation de l’échantillon préalablement à
l’ionisation n’est plus nécessaire.
Bombardement par des atomes rapides (Ar, Xe)
compatible avec les sources d’ions haute
tension (spectromètres à secteurs magnétique
et électrique).
sucres…
Le faisceau d’ions secondaires peut être stable
plusieurs dizaines de minutes et permettre des
expériences de MS/MS
Les ions formés (molécules protonées,
déprotonées, cationisées) sont relativement
stables, donc abondants, donc permettent une49
grande sensibilité de l’analyse.
Nucléotides … (NAD)
1981
1981
50
1981
Peptides …
1981
51
1981
porphyrines …
La voie est ouverte … mais la compétition aussi …
1981
52
1981
1981
Ions primaires:
métaux alcalins
déposés sur un
filaments et pulsés à
5-10 KHz, 25 KeV,
durant 5-50 nsec.
Brian T. Chait
53
Nucléotides … (AMP)
1981
1981
54
La LC/MS n’est plus un rêve …
1983
1983
55
1983
1983
(le spectromètre est un quadripôle)
56
1984
J. Phys. Chem., 88, 4451-4459 (1984)
les prémisses d’un prix Nobel…
Bien que citant Dole à de
nombreuses reprises et
notamment au sujet des
« macro-ions », ce sont les
agrégats (clusters) qui retiennent
l’attention de Fenn.
Pourtant …
57
1984
58
1984
L’électronébulisation
permet:
¾D’analyser l’échantillon en solution,
¾De former des ions stables …
¾Qui peuvent être activés par collision à
l’interface de la source
¾D’ioniser des molécules polaires (de
préférence)…
¾Y compris de haute masse grâce à la
multiprotonation
John FENN (Nobel 2002)
59
1988
Premiers spectres ESI présentés par
Fenn et col. en 1988 au congrès de l’ASMS.
En mai 1988, les méthodes de nébulisation (APCI, puis thermospray, puis
ESI) semblent avoir gagné la partie et l’avoir emporté, en tous cas, sur les
techniques d’ionisation par désorption d’ions secondaires (SIMS, puis
PDMS).
60
1985
61
1988
62
1988
Ces spectres,
publiés dans
Anal. Chem. en
octobre 1988
avaient été
présentés en
Aôut lors de
l’IMSC de
Bordeaux.
63
Mais au même moment …
1988
K. Tanaka
Prix Nobel 2002
64
Les années 90 sont celles qui voient l’explosion des applications à
la biologie de la spectrométrie de masse
1990
J. Am. Chem. Soc., 112, 9012-9013 (1990)
Etude de la conformation
des protéines par ESI
Cytochrome c dans:
a- 4% acide acétique, pH 2,6
b- 0,2% acide acétique, pH 3,0
c- H2O, pH 5,2
65
1991
J. Am. Chem. Soc., 113, 6294-6296 (1991)
Analyse de complexes
non covalents par ESI
66
1991
J. Am. Chem. Soc., 113, 8534-8535 (1991)
Analyse de complexes
non covalents par ESI
Myoglobine de cheval:
a- pH 3,35
b- pH 3,90
Le pH est ajusté par ajout
d’acide acétique (sans acétate
d’ammonium)
67
1993
Les débuts de la
protéomique …
68
1993
Spectre de masse MALDI
Interrogation des banques
69
1998
Les ions formés par ESI sont
piégés dans la cellule d’une
FT-ICR.
Les électrons, formés
initialement par irradiation
laser (193 nm) de plaques
métalliques peuvent être
piégés par des plaques
portées à -1V. Les spectres
obtenus montrent un décalage
de 1 u des massifs isotopiques
par rapport aux spectres
enregistrés sans laser.
Un filament opposé à la
source ESI servira par la suite
de source d’électrons.
70
1998
F. W. McLafferty
71
Hypothèse mécanistique:
1998
-Les chaînes latérales des résidus protonés (K, R) sont engagées dans des
liaisons hydrogène avec les fonctions des liaisons peptidiques
- Si un électron s’approche d’une espèce pontée de type A…H+….B, sa capture se
traduira par la formation de A.-H et B si l’affinité électronique de A+-H est
supérieure à celle de B+-H. Or l’AE d’une amine protonée est de l’ordre de 4eV
contre 6 eV pour un carbonyle protoné.
- Si cette hypothèse est exacte, le radical se trouve sur la liaison peptidique, ce qui
rend compte de la formation des ions c et z:
-Cette dissociation est à la fois plus rapide que les réactions de transfert d’électrons
et de scrambling d’hydrogène.
-Ceci suggère des réactions de fragmentation locales, précoces avant que l’énergie
de recombinaison (6 eV) ne soit redistribuée sur l’ensemble de la structure de l’ion.
Réactions non-ergodiques
Top-Down proteomics…
72
2004
PNAS, 101, 5928-5933 (2004)
Motivations:
1. favoriser la localisation des sites de
phosphorylation
2. Proposer une alternative à
73
l’ECD/FT-ICR
2004
74
1999
Quantification relative des
taux d’expression de
protéines dans des
cultures cellulaires (en
milieu 14N ou en 15N)
75
1999
La même stratégie peut
être appliquée avec
succès pour quantifier les
taux relatifs locaux de
phosphorylation.
76
1999
Nature Biotechnology, 17, 994-999 (1999)
Spectre de masse partiel
(nano-LC/MS, ion 2+)
Chromatogramme
« reconstruit » des ions
d’intérêt
77
1999
Le marquage est compatible avec la MS/MS
78
2001
Nature Medicine, 7, 493-496 (2001)
79
2001
…. À suivre ….
80