Des chercheurs de Skoltech et du MIPT ont développé un appareil pour améliorer les spectromètres de masse utilisés pour analyser la composition chimique de substances inconnues. Le nouvel appareil analyse une substance sous quatre perspectives différentes. Alternativement, il permet d'examiner simultanément plusieurs échantillons. Par contre, les spectromètres de masse conventionnels analysent une substance à la fois. Le document de recherche a été publié dans la revue Chimie analytique .

La spectrométrie de masse est le moyen le plus efficace pour déterminer la composition chimique d'un mélange inconnu. Pour faire ça, d'abord, les molécules de l'échantillon sont ionisées. C'est-à-dire, certains de leurs électrons sont arrachés, leur conférant une charge électrique. Ces molécules chargées, ou des ions, répondent aux champs électriques et magnétiques en déviant les trajectoires de leur mouvement. Plus la charge est grande et plus la masse d'un ion est petite, plus il est dévié. Cet effet peut être utilisé pour séparer les ions en fonction du rapport entre leur masse et leur charge. Un spectromètre de masse est un appareil qui mesure les rapports masse/charge des molécules ionisées dans un mélange. Ainsi, sa composition chimique peut être déterminée.

Un spectromètre de masse a trois composants de base :il y a d'abord la source d'ions, où les molécules sont ionisées, c'est la partie qui a été affinée par les auteurs. L'analyseur de masse sépare les ions en fonction de leur masse et de leur charge. Finalement, un détecteur enregistre les informations sur les ions.

La spectrométrie de masse est omniprésente dans les industries et les sciences. Il est utilisé pour identifier la composition de mélanges en pharmacie et métallurgie, ainsi que dans le nucléaire, pétrole et gaz, et les industries cosmétiques. Il domine le contrôle du dopage. Bien que le spectromètre de masse ait été inventé il y a plus de 100 ans, les chercheurs continuent d'affiner la méthode en la rendant plus efficace et universelle, et moins chronophage.

Les substances peuvent être ionisées de diverses manières, mais chaque technique d'ionisation fonctionne bien avec un nombre limité de composés. Un spectromètre de masse conventionnel a une source d'ions utilisant une technique, réduire le nombre de composés qu'il peut traiter. Pour résoudre ce problème, professeur Evgeny Nikolaev, membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie, et Yury Kostyukevich, un doctorat en physique et en mathématiques, a proposé un spectromètre de masse utilisant quatre techniques d'ionisation à la fois. Leur dispositif combine une ionisation par électronébulisation régulière et native avec une photoionisation à pression atmosphérique et une ionisation par impact électronique. (Les techniques seront expliquées ci-dessous.)

"La spectrométrie de masse est une technique analytique puissante. Fondamentalement, il fonctionne en ionisant les molécules puis en mesurant leur masse. Le premier pas, ionisation, c'est quand la substance passe à l'état gazeux. Cette étape est assez problématique, car un mélange peut contenir des substances qui nécessitent différentes techniques pour être ionisées, " explique le professeur Evgeny Nikolaev de Skoltech et MIPT. " Pour la première fois, nous avons combiné cinq techniques dans un spectromètre de masse. Cela nous permet d'analyser les mélanges avec des détails sans précédent. » La cinquième technique mentionnée par Nikolaev fait référence à la décomposition thermique.

En ionisation électrospray, un liquide est ionisé dans un fort champ électrique puis se transforme en gaz. D'abord, une substance sous forme de solution est électrisée dans un capillaire à deux à cinq kilovolts. Une gouttelette chargée quitte le capillaire et se déplace dans un champ électrique, se désintégrant en de nombreuses gouttelettes chargées plus petites. Au fur et à mesure que le solvant se vaporise, la substance examinée passe également à l'état gazeux. Cette méthode fonctionne mieux avec des protéines et des produits pétroliers. En outre, il existe une variante plus délicate de la même technique appelée ionisation électrospray native, qui est utilisé pour analyser les protéines sans modifier leur structure 3D naturelle.

La photoionisation à pression atmosphérique utilise des photons de haute énergie. Un photon porteur de 10 à 40 électronvolts d'énergie peut provoquer une ionisation de deux manières :Soit une molécule absorbe un photon puis éjecte un électron, ou cela arrive à un produit chimique qui est introduit dans le mélange. Lorsqu'il est ionisé, ce produit chimique ionise à son tour la molécule en réagissant avec elle. Cette technique est puissante pour analyser les hormones et le pétrole brut.

L'ionisation par impact électronique fonctionne en bombardant l'échantillon avec des électrons résultant d'une désintégration bêta. Cette méthode ionise d'abord les molécules dans l'air environnant. Les ions résultants interagissent avec la substance de l'échantillon, en l'ionisant.

Le dispositif nouvellement proposé utilise les quatre techniques, pourtant les processus associés se produisent indépendamment dans des espaces séparés, afin de ne pas s'affecter les uns les autres. Un autre avantage de cette conception modulaire est que l'appareil peut accueillir encore plus d'ioniseurs. Selon les auteurs, leur spectromètre de masse passe d'un mode à l'autre en une seconde. Il peut ainsi être utilisé pour mener simultanément des expériences distinctes. Alternativement, l'appareil peut analyser une substance en détail en utilisant tous les ioniseurs. Dans cette configuration, le mélange dans un canal d'ionisation peut être utilisé comme échantillon de référence, tandis que les canaux restants accueillent des réactions moléculaires telles que la deutération ou l'ozonation. (Le premier fait référence à la substitution des atomes d'hydrogène dans les molécules d'eau par du deutérium, et le second signifie l'oxydation via l'exposition aux molécules d'ozone.) En outre, les chercheurs ont intégré une option pour contrôler la température de l'échantillon, qui peut également être utilisé pour le décomposer thermiquement.

"À l'avenir, ce dispositif permettra de paralléliser les opérations de chimie analytique, ce qui serait tout à fait analogue à la façon dont les calculs ont été parallélisés en informatique il y a longtemps, " dit Yury Kostyukevich, chercheur à Skoltech et MIPT. « Dans cette analogie, chaque source d'ionisation agissant sur une certaine fraction de l'échantillon est comme une unité de traitement individuelle effectuant des calculs. Le spectromètre de masse combine les données de toutes les sources et les transmet au chercheur."

Les auteurs ont déjà démontré que leur appareil peut analyser simultanément l'huile et les molécules biologiques dans leur état natif, ainsi que la deutération de soutien. Cette nouvelle solution de spectrométrie de masse a le potentiel pour une application scientifique et industrielle à grande échelle.