Spectrométrie de masse haute résolution : dans l'intimité de la matière

Le Laboratoire de Spectrométrie de Masse et de Chimie Laser (LSMCL) de l'Université Paul Verlaine-Metz sera le premier en France à être équipé d'un appareil ayant un champ magnétique de 9,4 Teslas. Une famille d'instruments en plein développement : seuls 11 modèles équivalents existent au plan européen et un prototype de 14 Teslas est actuellement en cours d'expérimentation aux USA. L'université messine devient ainsi un centre de compétence de Spectrométrie de masse et Chimie Laser à vocation internationale, unique dans le Grand Est.

1ère étape : L'ionisation de l'échantillon et le piégeage des ions formés : Dans le cas présent l'ionisation est assurée par un faisceau laser plus ou moins focalisé sur sa surface. Les ions formés (qui peuvent être positifs ou négatifs) sont piégés dans l'axe du champ magnétique (B0) par deux plaques (ici en vert) portées à un potentiel d'environ +/- 1 volt. Chaque ion est animé d'un mouvement circulaire de très faible rayon, dont la fréquence de rotation (νc en hertz) est
inversement proportionnelle à son rapport masse sur charge (m/z). 

- Définir les éléments à partir de leur masse atomique

Un spectromètre de masse est une balance très sophistiquée utilisée pour « peser » des atomes et des molécules. Cette mesure, à partir du millième de milliardième de gramme de substance, permet l'identification précise de la masse des atomes et des molécules qui la composent : « Une connaissance qui trouve des applications dans des domaines très variés » précise Jean-François MULLER, professeur de physique-chimie et directeur du Laboratoire de Spectrométrie de Metz.

- De la protection de l'air à la lutte contre le cancer : un vaste potentiel et des débouchés multiples

« Des techniques environnementales à la biologie, en passant par le traitement de surface ou l'analyse des solides et des liquides, pratiquement tous les secteurs d'activités peuvent être concernés par la spectrométrie de masse » poursuit notre interlocuteur.

2ème étape : L'excitation résonante des ionsElle consiste à coupler les deux plaques d'excitation (ici en jaune) à un générateur de fréquence variable dont la vitesse de balayage peut être ajustée. Ainsi, pendant le temps où la fréquence appliquée est égale à la fréquence de l'ion (accord de fréquence), celui-ci va absorber de l'énergie lui permettant de décrire une spirale d'Archimède. Lorsqu'il n'y a plus résonance la trajectoire circulaire des ions se stabilise à proximité des plaques de détection. On passe en quelque sorte d'une orbite basse à une orbite haute. 

Dans le cadre de la protection de l'environnement, elle sert à connaître la composition exacte des fumées recueillies à la sortie du pot d'échappement d'une voiture.

Objectif : prendre des mesures correctives au niveau du carburant, de l'huile, de la conception du moteur ou de ces trois paramètres simultanés pour améliorer la combustion et limiter les rejets nocifs. Le spectromètre ouvre également des perspectives prometteuses dans le domaine biomédical. Dans la lutte contre le cancer, il devrait permettre d'observer l'interaction d'un médicament sur une cellule et d'ajuster les traitements en conséquence. Ses applications ne s'arrêtent pas là : analyse des eaux minérales, traitements de surfaces, sidérurgie, biologie... « Dès que l'on est en présence de matériaux complexes dont on veut connaître la composition précise, le spectromètre de masse FT-ICR est un instrument de premier ordre » conclut Jean-François MULLER.

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3ème étape : La détection des ions et l'établissement du spectre de masse : Les deux plaques de détection de la cellule (ici en rouge) sont reliées à un circuit (RLC) qui permet de détecter par influence électrostatique le courant image des ions formés dans la cellule. Le mélange de toutes les fréquences détectées constitue un interférogramme qui est numérisé avec une grande précision. Grâce à la mise en série trigonométrique inventée par Joseph Fourier en 1812, cette fonction du temps est transformée en une fonction de fréquence. Après application de la relation ci-dessus on obtient un spectre de masse extrêmement précis.

- Le nouveau spectromètre : une précision infinitésimale

Comparé au premier modèle installé en 1984, dont le champ magnétique était de 3 Teslas, l'instrument qui sera livré au laboratoire au cours du dernier trimestre 2005 a vu son champ magnétique multiplié par 3 et son degré de précision par 5, passant d'une résolution spectrale de 200 000 à 1 million. Sa sensibilité est de l'ordre du millième de milliardième de grammes grâce à son champ magnétique de 9,4 Teslas.