Principe et instrumentation
La spectrométrie de masse (SM) détermine la masse-sur-charge (m/z) d'ions en phase gazeuse. L'instrument comporte trois parties :
1. Source d'ionisation : produit des ions à partir de l'échantillon. 2. Analyseur de masse : sépare les ions selon leur m/z. 3. Détecteur : mesure l'abondance de chaque ion.
Le spectre de masse est un histogramme des ions par m/z. L'intensité est exprimée en abondance relative : le pic de base (100 %) est l'ion le plus abondant ; tous les autres sont normalisés par rapport à lui.
Modes d'ionisation
Le choix de la source détermine l'énergie interne déposée dans la molécule et donc le degré de fragmentation :
- Impact électronique (EI, 70 eV) : bombardement d'électrons énergétiques → radical-cation M⁺· ; fragmentations caractéristiques abondantes. Convient aux molécules volatiles et stables thermiquement.
- Ionisation chimique (CI) : réactant gazeux (CH₄, NH₃) → [M+H]⁺ ou [M−H]⁻ ; fragmentation douce. Utile pour la masse moléculaire quand EI donne M⁺· faible.
- Electrospray (ESI) : solution → spray → désolvatation → [M+nH]ⁿ⁺. Douce, idéale pour protéines et polymères. Donne des ions multichargés.
- MALDI (désorption/ionisation laser assistée par matrice) : co-cristallisation avec une matrice UV-absorbante → ions [M+H]⁺ de grande masse. Standard pour la protéomique.
Le pic moléculaire et la masse exacte
En EI, le pic moléculaire M⁺· correspond à la molécule ayant perdu un électron. Sa m/z donne la masse nominale (somme des masses isotopiques les plus abondantes). Grâce à la haute résolution (HR-MS, FWHM < 5 ppm), on mesure la masse exacte monoisotopique et on en déduit la formule brute.
Exemple : la masse exacte de C₆H₆ (benzène) est 78,0469 Da. Si HR-MS donne m/z = 94,0418, la formule C₆H₅F (fluoro-benzène, masse théorique 94,0425) est cohérente.
La règle de l'azote : une molécule avec un nombre impair de N a une masse molaire impaire (en masse nominale). Utile pour identifier rapidement les amines.
Le profil isotopique du pic moléculaire renseigne sur la présence de Cl ou Br : - Cl : M et M+2 en rapport 3:1 (³⁵Cl : ³⁷Cl = 75,8 : 24,2 %). - Br : M et M+2 en rapport quasi 1:1 (⁷⁹Br : ⁸¹Br = 50,7 : 49,3 %).
Fragmentations caractéristiques
La fragmentation se produit selon des mécanismes bien définis. Les principaux à connaître sont :
| Fragmentation | Perte (Δm) | Diagnostic |
|---|---|---|
| α-cission | variable | Cétones, aldéhydes (acylium R–C≡O⁺) |
| Réarrangement de McLafferty | 58 (pour Ph-CO–CH₂CH₂CH₃) | γ-H + carbonyle |
| Perte de H₂O | 18 | Alcools, acides |
| Perte de CO | 28 | Aldéhydes, phénols |
| Perte de CH₃ | 15 | Méthyle terminal |
| Perte de Cl | 35 | Chlorures |
La α-cission coupe la liaison α par rapport à l'hétéroatome ou à la charge : les cétones R–CO–R' donnent les acyliums R–C≡O⁺ (m/z = M − R') et R'–C≡O⁺ (m/z = M − R).
L'ion m/z = 77 est caractéristique du cation phényle C₆H₅⁺ ; m/z = 91 correspond à l'ion tropylium C₇H₇⁺ (très stable, aromatique à 6π), signature des composés benzyliques.
Couplage GC-MS
Le couplage Chromatographie en phase Gazeuse – Spectrométrie de Masse (GC-MS) sépare un mélange par GC (colonne capillaire, 30 m × 0,25 mm, phase stationnaire polysiloxane) puis analyse chaque fraction par MS (source EI). Le chromatogramme ionique total (TIC) donne un profil en fonction du temps de rétention ; chaque pic donne un spectre de masse qui peut être comparé à des bibliothèques (NIST 20, Wiley).
Conditions typiques : température d'injection 250 °C, programme de température 50 °C → 280 °C à 10 °C/min, débit He 1 mL/min. Le GC-MS est la technique de référence en analyses de traces environnementales, contrôle antidopage et parfumerie.
Pour les molécules non volatiles ou thermolabiles, le LC-MS/MS (couplage HPLC-ESI-triple quadrupôle) est préféré : sélection de l'ion précurseur (Q1), fragmentation (Q2, collision-induced dissociation), détection des fragments (Q3) → mode SRM, très sélectif.
Interprétation d'un spectre — méthode
1. Repérer M⁺· (ou [M+H]⁺ en CI/ESI) et noter sa m/z. 2. Analyser le profil isotopique pour Cl, Br, S. 3. Calculer le degré d'insaturation : DI = (2C + 2 + N − H − X) / 2. 4. Identifier les pertes depuis M : −15 (CH₃), −18 (H₂O), −28 (CO ou C₂H₄), −45 (OC₂H₅). 5. Repérer les ions à m/z caractéristiques (77, 91, 105…). 6. Proposer une structure cohérente avec toutes les observations et confirmer par RMN.