Des scientifiques de l'Université de Warwick ont ​​développé une méthode plus puissante d'analyse des mélanges chimiques, qui a pu attribuer un nombre record de 244, 779 compositions moléculaires dans un seul échantillon de pétrole.

Avec près d'un quart de million de compositions individuelles attribuées au sein d'une fraction non distillable de pétrole brut, la nouvelle méthode développée par le Barrow Group au sein du Département de chimie de l'Université de Warwick et détaillée dans un article pour la revue Sciences chimiques ouvre la voie à l'analyse d'échantillons difficiles dans différents domaines.

L'attribution des compositions de molécules dans un mélange complexe est un outil précieux pour un certain nombre d'industries, où la détermination de la composition élémentaire de ces molécules peut fournir des données précieuses pour la recherche, déterminer la viabilité du mélange comme dans l'industrie pétrochimique, ou même « empreintes digitales » d'un mélange complexe tel que du pétrole ou des échantillons environnementaux.

Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode, appelé fonctionnement à ultra-haute résolution constante (OCULAIRE), qui combine des techniques expérimentales et informatiques qui leur ont permis de caractériser l'échantillon le plus complexe sur lequel ils aient jamais travaillé.

En utilisant la spectrométrie de masse à résonance cyclotron ionique à transformée de Fourier (FT-ICR MS), les chercheurs ont analysé un échantillon de pétrole lourd en solution. Les molécules de l'échantillon ont ensuite été ionisées, excité et détecté pour déterminer les rapports masse-charge à l'aide d'un spectromètre de masse solariX (Bruker Daltonics) FT-ICR à l'Université de Warwick. Le pouvoir de résolution ultra-élevé et la précision de masse du FT-ICR MS permettent aux scientifiques de déterminer les compositions élémentaires même dans les échantillons les plus complexes, avec un haut degré de confiance.

L'analyse traditionnelle effectuée avec une variété de spectromètres de masse à transformée de Fourier (FTMS) offre un pouvoir de résolution décroissant et une confiance dans les affectations des compositions élémentaires à m/z plus élevé lors de l'étude d'une large plage m/z. Dans la nouvelle méthode OCULAIRE, les ions sont analysés à l'aide de segments de données plus petits en fonction de leur masse, où l'expérience est conçue de manière à assurer un pouvoir de résolution presque constant sur toute la plage de masse analysée ; dans l'exemple publié, un pouvoir de résolution constant de 3 millions a été utilisé pour caractériser un échantillon de pétrole lourd.

À l'aide d'un algorithme développé par les chercheurs, les données segmentées peuvent être automatiquement préparées et assemblées pour générer un spectre de masse complet (abondance relative vs m/z). Chaque pic représente une composition moléculaire unique, et ainsi l'intégralité du spectre de masse couvre l'espace compositionnel de l'échantillon. Cela leur a permis de fonctionner à une résolution beaucoup plus élevée et a également résolu les problèmes liés aux effets de la charge d'espace, où un grand nombre d'ions affectera la précision de la mesure de masse. Le résultat a été la résolution, détection et attribution du plus grand nombre de pics dans un échantillon à ce jour.

La technique peut être utilisée pour toute analyse d'un mélange complexe et a des applications potentielles dans des domaines tels que l'énergie (par exemple le pétrole et les biocarburants), sciences de la vie et soins de santé (par exemple, protéomique, recherche contre le cancer, et métabolomique), matériaux (par exemple les polymères), et analyse environnementale, y compris être utilisé pour « prendre l'empreinte des déversements de pétrole par leur composition moléculaire ».

Auteur principal Dr Diana Palacio Lozano, du Département de chimie de l'Université de Warwick, a déclaré : « Cette méthode peut améliorer les performances d'une gamme d'instruments FTMS, y compris les instruments FT-ICR MS à champ magnétique élevé et faible et les instruments Orbitrap. Nous sommes maintenant en mesure d'analyser des mélanges qui, en raison de leur complexité, sont difficiles même pour les techniques analytiques les plus puissantes. Cette technique est flexible car les performances peuvent être sélectionnées en fonction des besoins de la recherche."

Les échantillons de pétrole sont intrinsèquement très complexes et constituaient donc un test idéal pour cette méthode. Alors que l'utilisation mondiale du pétrole stimule le passage à des huiles plus lourdes, les échantillons deviennent de plus en plus complexes et il y a donc aussi un plus grand besoin de ce type d'analyse par les scientifiques pétrochimiques.

La faible volatilité de l'huile plus lourde peut maintenant s'expliquer par la composition élémentaire extraordinairement complexe. La grande complexité des huiles lourdes peut interférer avec la catalyse et affecter l'extraction, processus de transport et de raffinage. La technique OCULAIRE est également suffisamment puissante pour être utilisée sur des échantillons qui nécessitent les performances les plus élevées pour attribuer des compositions basées sur la précision de la masse ou des motifs isotopiques fins.

Le chercheur principal, le Dr Mark Barrow, a déclaré :« L'approche OCULAIRE nous permet de repousser les limites analytiques actuelles pour caractériser les échantillons les plus complexes. Elle étend considérablement les performances de tous les instruments FTMS sans coût supplémentaire et fonctionne bien avec les développements dans le domaine, tels que les nouvelles conceptions de matériel, méthodes de détection, et les méthodes de traitement des données. OCULAR est très polyvalent, les expériences et les traitements peuvent être adaptés selon les besoins, et l'approche peut être appliquée à de nombreux domaines de recherche, y compris l'énergie, soins de santé, et l'environnement."