Chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse

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Exemple d'un appareil GC-MS

La chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (en anglais Gas chromatography-mass spectrometry ou GC-MS) est une technique d'analyse qui combine les performances de la chromatographie en phase gazeuse, pour la séparation des composés d'un échantillon, et de la spectrométrie de masse, pour la détection et l’identification des composés en fonction de leur rapport masse/charge. Cette technique permet d'identifier et/ou de quantifier précisément de nombreuses substances présentes en très petites quantités, voire en traces. Les applications de la GC-MS comprennent le dosage de médicaments ou de stupéfiants, l'analyse environnementale, la médecine légale et l'identification de toutes substances inconnues même sous forme de traces. La GC-MS est d'ailleurs présentée comme étant le « gold standard » des analyses en médecine légale.

Introduction[modifier | modifier le code]

Il existe plusieurs techniques pour séparer et identifier différents composés présents dans un échantillon. La chromatographie est un exemple de technique de séparation. Cette technique repose sur les différences d’affinité des composés d’un mélange avec deux phases non miscibles : la phase stationnaire et la phase mobile. La chromatographie en phase gazeuse (GC) est l’un des principaux types de chromatographie[1]. Dans cette même perspective, un type de chromatographie (séparation) peut être avantageusement couplé avec une technique de détection, d'identification et de quantification comme la spectrométrie de masse. Comme les colonnes capillaires n’existaient pas encore à l’époque, l’utilisation de grands débits de gaz avec une concentration faible en soluté demanda à développer un certain nombre de techniques de concentration de vapeur pour éliminer, en partie, le gaz porteur et augmenter la concentration du soluté. Il a donc fallu concevoir un spectromètre de masse qui, une fois couplé à la chromatographie en phase gazeuse, puisse facilement être interfacé au chromatographe. La création du premier bon spectromètre de masse pour un système chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse a été conçu par Bill Kelley et Ted Adlard dans leurs laboratoires de recherche[2].

Histoire[modifier | modifier le code]

L'utilisation d'un spectromètre de masse comme détecteur en chromatographie en phase gazeuse a été développée dans les années 1950 par Roland Gohlke et Fred McLafferty[3],[4]. Ces premiers dispositifs sensibles étaient encombrants, fragiles et initialement limités aux laboratoires qui les développaient. L'apparition d'ordinateurs abordables et miniaturisés a contribué à la simplification de l'utilisation de cet appareil et permis de réduire considérablement le temps nécessaire à l'analyse d'un échantillon. En 1996, une unité GC-MS haut de gamme et à grande vitesse, a terminé l'analyse de produits accélérateurs d'incendie en moins de 90 secondes, alors qu'avec la première génération de GC-MS, il aurait fallu au moins 16 minutes. Cela a conduit à leur adoption généralisée dans de nombreux domaines.

Conception[modifier | modifier le code]

L'intérieur d'un GC-MS, avec la colonne de chromatographie en phase gazeuse dans le four sur la droite.

Une unité GC-MS est composée de deux blocs principaux: un chromatographe en phase gazeuse et un spectromètre de masse. Le chromatographe en phase gazeuse utilise une colonne capillaire qui dépend des dimensions de la colonne (longueur, diamètre, épaisseur du film) ainsi que les propriétés de la phase (par exemple 5 % phényl polysiloxane). La différence des propriétés chimiques entre les différentes molécules dans un échantillon les sépare quand celui-ci se déplace le long de la colonne. Les molécules prennent différents temps (appelé temps de rétention) pour sortir (éluer) du chromatographe en phase gazeuse, ce qui permet au spectromètre de masse en aval de capturer, ioniser, accélérer, dévier et de détecter les molécules ionisées séparément. Le spectromètre de masse brise pour cela chaque molécule en fragments ionisés et détecte ces fragments en fonction de leur rapport masse sur charge. Ces deux composantes utilisées ensemble, permettent l'identification d'une substance à un degré beaucoup plus fin que chaque unité utilisée séparément.

GC-MS schématique

Principe de base[modifier | modifier le code]

Introduction de l'échantillon[modifier | modifier le code]

Dans un premier temps, cette technique démarre comme une chromatographie en phase gazeuse normale. Un échantillon (sous forme de liquide volatil), est introduit en tête de la colonne dans l’injecteur par une microseringue. La colonne, balayée en continu par un gaz porteur, va entrainer les différentes composantes de l’échantillon et ainsi les amener à se détacher les unes des autres en fonction de leur affinité avec la phase stationnaire[5]. Une fois séparées, ces différentes composantes sont détectées en sortie de colonne par un détecteur, le spectromètre de masse. Les composantes sont alors introduites directement dans ce dernier qui est relié au chromatographe.

Ionisation[modifier | modifier le code]

Une fois à l’intérieur, une source ionise et vaporise les différentes molécules. La source la plus utilisée est l’ionisation électronique (EI)[6]. Pour ce type de ionisation, la source est un quadripôle, qui est un réseau électrique à deux entrées et sorties permettant le transfert d’énergie. Un courant s’écoule au travers de la source ce qui induit perpendiculairement un courant électronique entre un filament chaud (la cathode) et une anode. Les molécules sont alors bombardées par des électrons libres émis par ce filament. L’interaction des électrons et de ces molécules neutres génère des ions moléculaires chargés positivement. Les molécules qui ne sont pas ionisées sont éloignées de la source par le vide poussé. Les ions moléculaires produits dans la source sont maintenant accélérés et focalisés[7].

Séparation des ions[modifier | modifier le code]

Il s’agit maintenant de l’étape de la séparation des ions qui se fait dans l’analyseur de masse à quadripôle. Sous l’effet d’un champ magnétique, les ions vont osciller le long de l’axe des z du filtre quadripolaire à une tension continue (U) et une tension alternative (V) réglées par l’appareil afin que seuls les ions de rapport m/z choisi puisse traverser le filtre quadripolaire et se rendre jusqu’au détecteur[8].

Détection des ions[modifier | modifier le code]

La dernière étape est la détection des ions. À ce moment-là, les ions sont récoltés sur un multiplicateur d’électrons. D’une part, le détecteur converti les ions en signal électrique (plus il y a d’ions, plus le courant est important). D’autre part, le détecteur amplifie le signal obtenu ce qui permet le traitement informatique, c’est-à-dire l’obtention de spectre[9].

Références[modifier | modifier le code]

  1. Ambrose Douglas (1961), Gas chromatography, Londres : Newnes, 220 p.
  2. Haleem J. Issaq (2001), A Century of Separation Science, New York , CRC Press, 776 p.
  3. (en) Roland S. Gohlke, « Time-of-Flight Mass Spectrometry and Gas-Liquid Partition Chromatography », Analytical Chemistry, vol. 31, no 4,‎ , p. 535-541 (ISSN 0003-2700, DOI 10.1021/ac50164a024)
  4. (en) Roland S. Gohlke et Fred W. McLafferty, « Early gas chromatography/mass spectrometry », Journal of the American Society for Mass Spectrometry, vol. 4, no 5,‎ , p. 367-371 (ISSN 1044-0305, DOI 10.1016/1044-0305(93)85001-E)
  5. Acree, William E, Jr. (1998), Basic Gas Chromatography, Journal of Chemical Education (75) : 1094-1095
  6. Manfred Hesse, Herbert Meier, Bernd Zeeh (1997), Méthodes spectroscopiques pour la chimie organique, Paris , Masson, 350 p.
  7. Harold M. McNair, James M. Miller (2011), Basic Gas chromatography, États-Unis, Wiley-Interscience, 256 p.
  8. Manfred Hesse, Herbert Meier, Bernd Zeeh (1997), Méthodes spectroscopiques pour la chimie organique, Paris, Masson, 350 p.
  9. Robert M. Silverstein, Francis X. Webster, David Kiemle (2005), Spectrometric Identification of Organic Compounds, New York, Wiley, 512 p.

Voir aussi[modifier | modifier le code]