Spectrométrie de mobilité ionique - Ion-mobility spectrometry

Puce IMS au US Pacific Northwest National Laboratory : cette puce de la taille d'une pièce de dix sous fournit des dizaines de canaux à travers lesquels les ions voyagent (perpendiculairement au plan de vue) pour être séparés et identifiés

La spectrométrie de mobilité ionique ( IMS ) est une technique analytique utilisée pour séparer et identifier des molécules ionisées en phase gazeuse en fonction de leur mobilité dans un gaz tampon porteur. Bien que fortement utilisée à des fins militaires ou de sécurité, telles que la détection de drogues et d'explosifs, la technique a également de nombreuses applications analytiques en laboratoire, y compris l'analyse de petites et grandes biomolécules. Les instruments IMS sont des dispositifs autonomes extrêmement sensibles, mais sont souvent couplés à la spectrométrie de masse , la chromatographie en phase gazeuse ou la chromatographie liquide haute performance afin d'obtenir une séparation multidimensionnelle. Ils sont disponibles en différentes tailles, allant de quelques millimètres à plusieurs mètres selon l'application spécifique, et sont capables de fonctionner dans une large gamme de conditions. Les instruments IMS tels que la spectrométrie de mobilité ionique à forme d'onde asymétrique à champ élevé à micro - échelle peuvent être portables pour une utilisation dans une gamme d'applications, notamment la surveillance des composés organiques volatils (COV), l'analyse d'échantillons biologiques, le diagnostic médical et la surveillance de la qualité des aliments. Les systèmes fonctionnant à une pression plus élevée (c'est-à-dire dans des conditions atmosphériques, 1 atm ou 1013 hPa) sont souvent accompagnés d'une température élevée (supérieure à 100 °C), tandis que les systèmes à basse pression (1-20 hPa) ne nécessitent pas de chauffage.

Histoire

L'IMS a d'abord été développé principalement par Earl W. McDaniel du Georgia Institute of Technology dans les années 1950 et 1960 lorsqu'il a utilisé des cellules à dérive avec de faibles champs électriques appliqués pour étudier les mobilités et les réactions des ions en phase gazeuse. Au cours des décennies suivantes, il a couplé sa nouvelle technique à un spectromètre de masse à secteur magnétique, d'autres utilisant également ses techniques de nouvelles manières. Les cellules IMS ont depuis été attachées à de nombreux autres spectromètres de masse, chromatographes en phase gazeuse et installations de chromatographie liquide haute performance. L'IMS est une technique largement utilisée, et des améliorations et d'autres utilisations sont continuellement développées.

Applications

La plus grande force de la spectrométrie de mobilité ionique est peut-être la vitesse à laquelle les séparations se produisent, généralement de l'ordre de dizaines de millisecondes. Cette caractéristique combinée à sa facilité d'utilisation, sa sensibilité relativement élevée et sa conception très compacte ont permis à l'IMS en tant que produit commercial d'être utilisé comme outil de routine pour la détection sur le terrain d' explosifs , de drogues et d'armes chimiques . Les principaux fabricants de dispositifs de contrôle IMS utilisés dans les aéroports sont Morpho et Smiths Detection . Smiths a acheté Morpho Detection en 2017 et a ensuite dû céder légalement la propriété du côté Trace de l'entreprise [Smiths have Trace Products] qui a été vendue à Rapiscan Systems à la mi-2017. Les produits sont répertoriés sous ETD Itemisers. Le dernier modèle est un 4DX sans rayonnement.

Dans l'industrie pharmaceutique, l'IMS est utilisé dans les validations de nettoyage , démontrant que les récipients de réaction sont suffisamment propres pour procéder au prochain lot de produit pharmaceutique. L'IMS est beaucoup plus rapide et précis que les méthodes HPLC et au carbone organique total utilisées auparavant. L'IMS est également utilisé pour analyser la composition des médicaments produits, trouvant ainsi une place dans l'assurance et le contrôle qualité.

En tant qu'outil de recherche, la mobilité ionique est de plus en plus utilisée dans l'analyse de matériaux biologiques, en particulier la protéomique et la métabolomique . Par exemple, IMS-MS utilisant MALDI comme méthode d'ionisation a permis de faire des progrès en protéomique, fournissant des séparations haute résolution plus rapides des morceaux de protéines dans l'analyse. De plus, c'est un outil vraiment prometteur pour la glycomique , car des valeurs de section efficace de collision (CCS) moyennées par rotation peuvent être obtenues. Les valeurs CCS sont des caractéristiques distinctives importantes des ions en phase gazeuse, et en plus des déterminations empiriques, elles peuvent également être calculées par ordinateur lorsque la structure 3D de la molécule est connue. De cette façon, l'ajout des valeurs CCS des glycanes et de leurs fragments aux bases de données augmentera la confiance et la précision de l'identification structurelle.

En dehors des fins de laboratoire, IMS a trouvé une grande utilisation comme outil de détection de substances dangereuses. Plus de 10 000 appareils IMS sont utilisés dans le monde entier dans les aéroports, et l'armée américaine possède plus de 50 000 appareils IMS. Dans les milieux industriels, les utilisations de l'IMS comprennent la vérification de la propreté de l'équipement et la détection du contenu des émissions, comme la détermination de la quantité d'acide chlorhydrique et fluorhydrique dans un gaz de cheminée d'un processus. Il est également appliqué à des fins industrielles pour détecter les substances nocives dans l'air.

En métabolomique, l'IMS est utilisé pour détecter le cancer du poumon , la bronchopneumopathie chronique obstructive , la sarcoïdose , les rejets potentiels après transplantation pulmonaire et les relations avec les bactéries dans le poumon (voir analyse des gaz respiratoires ).

Mobilité ionique

La mobilité physique des ions K est définie comme le facteur de proportionnalité entre la vitesse de dérive d'un ion v _d dans un gaz et un champ électrique d'intensité E .

${\displaystyle v_{d}=KE}$

Les mobilités ioniques sont généralement signalées comme des mobilités réduites , corrigées de la densité de gaz standard n ₀ , qui peut être exprimée en température standard T ₀ = 273 K et pression standard p ₀ = 1013 hPa. Cela ne corrige pas d'autres effets que le changement de densité du gaz et la mobilité réduite des ions dépend donc toujours de la température.

${\displaystyle K_{0}=K{\frac {n}{n_{0}}}=K\ {\frac {T_{0}}{T}}\ {\frac {p}{p_{0} }}}$

La mobilité des ions K peut, sous diverses hypothèses, être calculée par l'équation de Mason-Schamp.

${\displaystyle K={\frac {3}{16}}{\sqrt {\frac {2\pi }{\mu kT}}}{\frac {Q}{n\sigma }}}$

où Q est l'ion de charge , n est le gaz dérive densité en nombre , μ est la masse réduite de l'ion et les molécules de gaz de dérive, k est constante de Boltzmann , T est le gaz de dérive température , et σ est la collision section transversale entre la l'ion et les molécules de gaz de dérive. Souvent, N est utilisé à la place de n pour la densité numérique du gaz de dérive et Ω à la place de σ pour la section efficace de collision ion-neutre. Cette relation tient approximativement à une limite de champ électrique basse, où le rapport E/N est petit et donc l'énergie thermique des ions est beaucoup plus grande que l'énergie gagnée du champ électrique entre les collisions. Avec ces ions ayant des énergies similaires à celles des molécules de gaz tampon, les forces de diffusion dominent le mouvement des ions dans ce cas. Le rapport E/N est généralement donné en Townsends (Td) et la transition entre les conditions de champ faible et élevé est généralement estimée se produire entre 2 Td et 10 Td. Lorsque les conditions de faible champ ne prévalent plus, la mobilité des ions elle-même devient une fonction de l'intensité du champ électrique qui est généralement décrite empiriquement par la fonction dite alpha.

${\displaystyle K\left({\frac {E}{N}}\right)=K(0)\,\left[1+\alpha \left({\frac {E}{N}}\right) \right]=K(0)\,\left[1+\alpha _{2}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{2}+\alpha _{4}\left [{\frac {E}{N}}\right]^{4}+...\right]}$

Ionisation

Les molécules de l'échantillon doivent être ionisées , généralement par décharge corona , photoionisation à pression atmosphérique (APPI), ionisation par électronébulisation (ESI) ou source d' ionisation chimique radioactive à pression atmosphérique (R-APCI), par exemple un petit morceau de ⁶³ Ni ou ²⁴¹ Am , similaire à celui utilisé dans les détecteurs de fumée à ionisation . Les techniques ESI et MALDI sont couramment utilisées lorsque l'IMS est associé à la spectrométrie de masse.

Des matériaux dopants sont parfois ajoutés au gaz de dérive pour la sélectivité d'ionisation. Par exemple, de l'acétone peut être ajoutée pour la détection des agents de guerre chimique, des solvants chlorés pour les explosifs et du nicotinamide pour la détection des drogues.

Analyseurs

Il existe des spectromètres de mobilité ionique basés sur divers principes, optimisés pour différentes applications. Une revue de 2014 répertorie huit concepts différents de spectrométrie de mobilité ionique.

Spectrométrie de mobilité ionique à tube à dérive

Un spectromètre de mobilité ionique à tube à dérive.

La spectrométrie de mobilité ionique à tube à dérive (DTIMS) mesure le temps qu'un ion donné met pour traverser une longueur donnée dans un champ électrique uniforme à travers une atmosphère donnée. A des intervalles spécifiés, un échantillon des ions est introduit dans la région de dérive ; le mécanisme de déclenchement est basé sur une électrode chargée travaillant d'une manière similaire à celle de la grille de commande à triodes œuvres pour des électrons. Pour un contrôle précis de la largeur d'impulsion ionique admise dans le tube à dérive, des systèmes de déclenchement plus complexes tels qu'un Bradbury-Nielsen ou un obturateur à commutation de champ sont utilisés. Une fois dans le tube à dérive, les ions sont soumis à un champ électrique homogène allant de quelques volts par centimètre jusqu'à plusieurs centaines de volts par centimètre. Ce champ électrique entraîne ensuite les ions à travers le tube de dérive où ils interagissent avec les molécules de dérive neutres contenues dans le système et se séparent en fonction de la mobilité des ions , arrivant au détecteur pour la mesure. Les ions sont enregistrés au niveau du détecteur dans l'ordre du plus rapide au plus lent, générant un signal de réponse caractéristique de la composition chimique de l'échantillon mesuré.

La mobilité ionique K peut alors être déterminée expérimentalement à partir du temps de dérive t _D d'un ion traversant dans un champ électrique homogène la différence de potentiel U dans la longueur de dérive L .

${\displaystyle K={\frac {L^{2}}{t_{D}U}}}$

Le pouvoir de résolution R _{P d'} un tube à dérive peut, lorsque la diffusion est supposée être le seul contributeur à l'élargissement du pic, être calculé comme suit

${\displaystyle R_{P}={\frac {t_{D}}{\Delta t_{D}}}={\sqrt {\frac {LEQ}{16kT\ln 2}}}}$

où t _D est le temps de dérive d'ions, At _D est la largeur totale à la moitié du maximum , L est la longueur du tube, E est l'intensité du champ électrique, Q est la charge ionique, k est la constante de Boltzmann et T est la température du gaz de dérive . Les méthodes de pression ambiante permettent un pouvoir de résolution plus élevé et une plus grande sélectivité de séparation en raison d'un taux plus élevé d'interactions ion-molécule et sont généralement utilisées pour les appareils autonomes, ainsi que pour les détecteurs pour la chromatographie en phase gazeuse, liquide et fluide supercritique. Comme indiqué ci-dessus, le pouvoir de résolution dépend de la chute de tension totale que l'ion traverse. En utilisant une tension de dérive de 25 kV dans un tube de dérive à pression atmosphérique de 15 cm de long, un pouvoir de résolution supérieur à 250 est réalisable même pour de petits ions chargés une seule fois. Ceci est suffisant pour réaliser la séparation de certains isotopologues en fonction de leur différence de masse réduite .

Tube de dérive basse pression

Les tubes à dérive à pression réduite fonctionnent selon les mêmes principes que leurs homologues à pression atmosphérique, mais à une pression de gaz de dérive de quelques torrs seulement. En raison du nombre considérablement réduit d'interactions ion-neutres, des tubes à dérive beaucoup plus longs ou des obturateurs ioniques beaucoup plus rapides sont nécessaires pour obtenir le même pouvoir de résolution. Cependant, le fonctionnement à pression réduite offre plusieurs avantages. Premièrement, il facilite l'interfaçage de l'IMS avec la spectrométrie de masse. Deuxièmement, à des pressions inférieures, les ions peuvent être stockés pour injection à partir d'un piège à ions et recentrés radialement pendant et après la séparation. Troisièmement, des valeurs élevées de E/N peuvent être obtenues, permettant une mesure directe de K ( E/N ) sur une large plage.

Vague itinérante

Bien que les champs électriques de dérive soient normalement uniformes, des champs de dérive non uniformes peuvent également être utilisés. Un exemple est l'IMS à ondes progressives, qui est un tube de dérive à basse pression IMS où le champ électrique n'est appliqué que dans une petite région du tube de dérive. Cette région se déplace ensuite le long du tube de dérive, créant une onde poussant les ions vers le détecteur, éliminant ainsi le besoin d'une tension de dérive totale élevée. Une détermination directe des sections efficaces de collision (CCS) n'est pas possible, en utilisant TWIMS. Les étalons peuvent aider à contourner cet inconvénient majeur, cependant, ils doivent être adaptés pour la taille, la charge et la classe chimique de l'analyte donné. Une variante particulièrement remarquable est le "SUPER" IMS, qui combine le piégeage d'ions par les structures dites pour les manipulations d'ions sans perte (SLIM) avec plusieurs passages à travers la même région de dérive pour atteindre des pouvoirs de résolution extrêmement élevés.

Spectrométrie de mobilité des ions piégés

Dans la spectrométrie de mobilité des ions piégés (TIMS), les ions sont maintenus stationnaires (ou piégés) dans un gaz tampon en écoulement par un profil de gradient de champ électrique axial (EFG), tandis que l'application de potentiels radiofréquence (rf) entraîne un piégeage dans la dimension radiale. TIMS fonctionne dans la plage de pression de 2 à 5 hPa et remplace l'entonnoir à ions trouvé dans la région source des spectromètres de masse modernes. Il peut être couplé à presque n'importe quel analyseur de masse via le mode de fonctionnement standard pour les instruments de type faisceau ou le mode d'accumulation sélective (SA-TIMS) lorsqu'il est utilisé avec des instruments de spectrométrie de masse (MS) à piégeage.

En effet, la cellule de dérive est prolongée par le mouvement ionique créé par le flux de gaz. Ainsi, les dispositifs TIMS ne nécessitent ni grande taille ni haute tension pour atteindre une résolution élevée, par exemple en atteignant plus de 250 pouvoirs de résolution à partir d'un dispositif de 4,7 cm grâce à l'utilisation de temps de séparation prolongés. Cependant, le pouvoir de résolution dépend fortement de la mobilité des ions et diminue pour les ions plus mobiles. De plus, TIMS peut être capable d'une sensibilité plus élevée que les autres systèmes de mobilité ionique car aucune grille ou obturateur n'existe dans le trajet ionique, améliorant la transmission des ions à la fois pendant les expériences de mobilité ionique et tout en fonctionnant en mode MS transparent uniquement.

Spectrométrie de mobilité ionique à forme d'onde asymétrique à champ élevé

Le DMS ( spectromètre de mobilité différentielle ) ou le FAIMS ( spectromètre de mobilité ionique asymétrique de champ ) exploitent la dépendance de la mobilité ionique K sur l'intensité du champ électrique E à des champs électriques élevés. Les ions sont transportés à travers le dispositif par le flux de gaz de dérive et soumis à différentes intensités de champ dans la direction orthogonale pendant différentes durées. Les ions sont déviés vers les parois de l'analyseur en fonction du changement de leur mobilité. Ainsi, seuls les ions avec une certaine dépendance à la mobilité peuvent passer le filtre ainsi créé

Analyseur de mobilité différentielle

Exemple de capteur Aspiration IMS.

Un analyseur de mobilité différentiel ( DMA ) utilise un flux gazeux rapide perpendiculaire au champ électrique. Ainsi, des ions de mobilités différentes subissent des trajectoires différentes. Ce type d'IMS correspond aux instruments du secteur en spectrométrie de masse . Ils fonctionnent également comme un filtre scannable. Les exemples incluent le détecteur de mobilité différentielle commercialisé pour la première fois par Varian dans le CP-4900 MicroGC. L'aspiration IMS fonctionne avec une circulation en boucle ouverte de l'air échantillonné. Le flux d'échantillon passe par la chambre d'ionisation puis pénètre dans la zone de mesure où les ions sont déviés dans une ou plusieurs électrodes de mesure par un champ électrique perpendiculaire qui peut être statique ou variable. La sortie du capteur est caractéristique de la distribution de mobilité ionique et peut être utilisée à des fins de détection et d'identification.

Principe de fonctionnement d'un analyseur différentiel de mobilité pour la séparation des aérosols

Un DMA peut séparer des particules d' aérosols ou des ions chargés en fonction de leur mobilité dans un champ électrique avant leur détection, ce qui peut être fait avec plusieurs moyens, dont des électromètres ou des spectromètres de masse plus sophistiqués.

Dérive gaz

La composition du gaz de dérive est un paramètre important pour la conception et la résolution de l'instrument IMS. Souvent, différentes compositions de gaz de dérive peuvent permettre la séparation de pics qui se chevauchent autrement. Une température de gaz élevée aide à éliminer les amas d'ions qui peuvent fausser les mesures expérimentales.

Détecteur

Souvent, le détecteur est une simple plaque de Faraday couplée à un amplificateur à transimpédance , cependant, des instruments de mobilité ionique plus avancés sont couplés à des spectromètres de masse afin d'obtenir simultanément des informations sur la taille et la masse. Il est à noter que le détecteur influence les conditions de fonctionnement optimales pour l'expérience de mobilité ionique.

Méthodes combinées

L'IMS peut être combiné avec d'autres techniques de séparation.

Chromatographie des gaz

Lorsque l'IMS est couplé à la chromatographie en phase gazeuse, l'introduction commune de l'échantillon se fait avec la colonne capillaire GC directement connectée à la configuration IMS, avec des molécules ionisées au fur et à mesure qu'elles éluent de la GC. Une technique similaire est couramment utilisée pour la HPLC . Une nouvelle conception pour la spectrométrie de mobilité ionique à ionisation par décharge corona (CD-IMS) en tant que détecteur après la chromatographie en phase gazeuse capillaire a été produite en 2012. Dans cette conception, une aiguille creuse a été utilisée pour la création de décharge corona et l'effluent a été introduit dans la région d'ionisation en amont de la source corona. En plus des commodités pratiques de couplage du capillaire à la cellule IMS, cet interfaçage axial direct nous aide à obtenir une ionisation plus efficace, ce qui entraîne une sensibilité plus élevée.

Lorsqu'il est utilisé avec la GC, un analyseur de mobilité différentielle est souvent appelé détecteur de mobilité différentielle ( DMD ). Un DMD est souvent un type de système microélectromécanique , un dispositif de spectrométrie de mobilité ionique modulée par radiofréquence (MEMS RF-IMS). Bien que petit, il peut s'intégrer dans des unités portables, telles que des chromatographes en phase gazeuse transférables ou des capteurs de drogue/d'explosifs. Par exemple, il a été intégré par Varian dans son CP-4900 DMD MicroGC et par Thermo Fisher dans son système EGIS Defender, conçu pour détecter les stupéfiants et les explosifs dans les transports ou d'autres applications de sécurité.

Chromatographie liquide

Couplé à la LC et à la MS, l'IMS est devenu largement utilisé pour analyser des biomolécules, une pratique fortement développée par David E. Clemmer , aujourd'hui à l'Université d'Indiana (Bloomington) .

Spectrométrie de masse

Lorsque l'IMS est utilisé avec la spectrométrie de masse, la spectrométrie de mobilité ionique-spectrométrie de masse offre de nombreux avantages, notamment un meilleur signal sur bruit, la séparation des isomères et l'identification de l'état de charge. L'IMS a généralement été attaché à plusieurs analyseurs de spécifications de masse, y compris la résonance cyclotron quadripolaire, à temps de vol et à transformée de Fourier.

Logiciel dédié

La spectrométrie de masse à mobilité ionique est une technique d'analyse d'ions en phase gazeuse assez récemment popularisée. En tant que tel, il n'existe pas de grande offre logicielle pour afficher et analyser les données de spectrométrie de masse de mobilité ionique, à l'exception des progiciels livrés avec les instruments. ProteoWizard, OpenMS et msXpertSuite sont des logiciels libres selon la définition OpenSourceInitiative. Bien que ProteoWizard et OpenMS aient des fonctionnalités permettant l'examen du spectre, ces progiciels ne fournissent pas de fonctionnalités combinées. En revanche, msXpertSuite offre la possibilité de combiner des spectres selon différents critères : temps de rétention, plage m/z, plage de temps de dérive, par exemple. msXpertSuite imite ainsi plus fidèlement le logiciel qui est généralement fourni avec le spectromètre de masse.

Voir également

• Mobilité électrique
• Théorie de Viehland-Mason
• Détection d'explosifs

Les références

Bibliographie

Liens externes

Liste des sites d'instruments d'analyse à Curlie