FR2498758A1 - Procede d'obtention d'ions pour l'investigation, par spectometrie de masse, de la structure moleculaire d'un compose normalement solide et non volatil - Google Patents

Description

L'invention concerne l'investigation de la structure moléculaire de composés, et elle se réfère particulièrement à des procédés impliquant l'ionisation de molécules non volatiles, ou thermiquement instables, de matières complexes.

Le domaine technique de l'appareillage impliqué dans de tels procédés est, quasi nécessairement, celui de la spectrométrie de masse, et l'invention utilise cette technique. Les modes opératoires analytiques de spectrométrie de masse sont cependant, en règle générale, bien établis et ne seront pas étudiés ici de façon très détaillée. La production d'ions en vue de leur observation dans le spectromètre a également fait l'objet d'études poussées au cours des dernières vingt années, et il existe un certain nombre de techniques classiques qui sont satisfaisantes pour de nombreuses matières.

I1 reste, et cela pose un problème, que notamment pour des matières non volatiles (celles qui ne peuvent être évaporées sans modification de structure), parmi lesquelles il y a des composés d'importance biomédicale comme des saccharides, des peptides et des antibiotiques glycosidiques, il n'a pas été trouvé de procédé d'ionisation entièrement satisfaisant.

Les procédés classiques d'ionisation, comme l'impact d'électrons, l'ionisation chimique et l'ionisation de champ exigent la vaporisation de l'échantillon. Les matières non volatiles sont donc exclues, et des molécules thermiquement instables risquent d'être décomposées. Même dans le cas de matières convenables, l'information analytique que l'on peut ainsi obtenir est limitée. Lorsqu'on utilise l'impact d'électrons, l'énergie en excédent par rapport à celle nécessaire pour l'ionisation est transférée à l'ion qui peut alors former des ions fragmentaires.Ce processus peut se produire si rapidement qu'on ne puisse déceler dans le spectromètre que peu ou pas de l'ion de départ et qu'on ne puisse établir de relation "génétique" entre les fragments et l'ion de départ ou "parent". Inversement, les techniques, appelées "d'ionisation douce", d'ionisation chimique et d'ionisation de champ impliquent le transfert de si peu d'énergie que seul l'ion de départ ou "parent" peut être observé alors que des produits de fragmentation risquent d'être intéressants.

Une autre technique d'ionisation douce, celle de
la désorption de champ, qui est disponible dans le cas d'un échantillon solide, donne des résultats utiles dans le cas de composés à faible volatilité, dont beaucoup sont thermiquement instables. Cependant, dans ce cas encore, il se produit peu fréquemment une fragmentation, de sorte que l'on n'obtient que très peu d'informations sur la structure et que les données se limitent largement à l'ion de départ. En outre, la technique utilise un échantillon déposé en très faible quantité sur un émetteur fragile d'ions activés, qui est difficile à préparer et peut presenter une courte durée de vie utile.

Comme indiqué dans le livre récent "ass Spectrometry", publié par Merritt et cEvan et édité par Marcel Dekker Inc.

(1979), les procédés d'ionisation indiqués dans les paragraphes précédents restent des techniques classiques en chimie analytique de substances organiques. Parmi ces techniques, la désorption de champ est le seul mode opératoire classique dans le cas de composes organiques labiles en phases liquide et solide. Le livre se réfère également à des rapports récents concernant l'utilisation d'un bombardement par des ions positifs comme moyen d'ionisation mais, selon l'expérience des inventeurs de la présente invention, cette technique donne lieu à un certain nombre de difficultés. Celles-ci impliquent l'accumulation d'une charge à la surface de n'importe quelle matière d'échantillon présentant des propriétés isolantes, de sorte que la période d'observation est très limitée.

L'invention vise à proposer un procédé convenant pour l'investigation de matières considérées Jusqu a présent comme "non traitables", procédé qui permet d'observer une gamme d'espèces ioniques apparentées, en vue de la détermination de leur structure, sur une période relativement étendue.

Selon la présente invention, celle-ci propose un procédé d'investigation de la structure moléculaire d'un compose normalement solide et non volatil, le procédé comprenant les opérations consistant à former sur une cible un revêtement dans lequel un échantillon du composé est présent à l'état mobile à la surface exposée du revêtement, à bombarder cette surface avec des particules moléculaires électriquement neutres qui viennent frapper cette surface selon un angle d'incidence n'excédant pas 450 et ont une énergie cinétique telle que le résultat global du bombardement est la production d'une gamme d'espèces d'ions, comprenant des ions pseudomoléculaires et des ions constituant des fragments importants pour l'étude de la structure, et à soumettre cette gamme d'espèces d'ions à une analyse de masse.

On trouve qu avec un procédé selon l'invention, la période au cours de laquelle le spectre ionique peut être observé est prolongée en comparaison de celle obtenue dans le cas d'un bombardement semblable d'un échantillon solide du même composé. On pense que ce résultat est à attribuer à une capacité de remplacement continu du composé à la surface bombardée du revêtement.

Le revêtement peut consister en le composé à étudier, maintenu à l'état fondu par chauffage, mais plus couramment, il sera approprié que le composé soit mis à l'état mobile par dissolution ou suspension dans un milieu convenable.

Pour un échantillon à l'état dissous, le milieu doit être un solvant à faible volatilité, puisqu'il doit servir sous vide, et il peut s'agir d'un glycol supérieur comme le glycérol ou d'une autre matière de propriétés physiques comparables.

La concentration de l'échantillon dans le milieu, et la quantité totale de l'échantillon, sont des paramètres qui déterminent la limite inférieure de sensibilité de la détection des ions et donc le degré d'information sur les structures que l'on peut obtenir du spectre de masse. La concentration peut se situer dans la gamme comprise entre 10-6 mole.dm-3 et 1 mole.dm-3, et la quantité minimale de l'échantillon peut être de l'ordre de 0,1 g.

Les particules moléculaires pour le bombardement proviennent avantageusement d'un gaz rare ionisé et elles sont donc habituellement atomiques. La nature du processus d'ionisation provoqué par un tel bombardement atomique est difficile à analyser, mais il est utile de comparer les produits obtenus avec ceux des techniques classiques. On se rappellera que l'ionisation par impact d'électrons et l'ionisation chimique tendent à être complémentaires, du fait que l'ionisation par impact d'électrons donne des renseignements sur la structure par suite d'une fragmentation alors que l'ionisation chimique ne donne que des renseignements sur la masse moléculaire,car il y a très peu de fragmentation.Cette différence de comportement est en partie liée à la distribution de énergie interne des ions {large pour l'impact des électrons et très étroite pour l'ionisation chimique), mais elle provient également d'une tendance de l'ionisation par impact d'électrons à produire des radicaux ioniques (ions ayant un nombre impair d'électrons ), alors que l'ionisation chimique produit des espèces comportant le même nombre d'électrons (ou comportant un nombre pair d'électrons) qui sont plus stables de façon inhérente. De telles espèces comportant un nombre pair d'électrons correspondent le plus couramment à un déplacement de plus ou moins une unité de masse atomique par rapport au poids moléculaire vrai de la matière constituant l'échantillon mais, bien entendu, elles continuent à être des indicateurs précis de ce poids.L'expression "ion moléculaire concerne un ion dont le rapport masse:charge 'z équivaut au poids moléculaire du composé. I1 est donc commode de décrire un ion qui est une modification connue de l'ion moléculaire, comme étant un ion pseudo-moléculaire, Lorsque la modification représente le gain ou la perte d'un proton ou un ion hydrure, les espèces possibles sont désignées par /îT+H7 et /-Hi+ pour les ions positifs et par 'M-H7 et /tH7- pour les ions négatifs.

On observe maintenant, de façon générale, que dans les spectres obtenus par le procédé de l'invention, la molécule de départ ou "parente" est représentée par l'ion pseudomoléculaire. La présence d'une large bande d'énergies d'ions, caractéristique d'un processus de bombardement, garantit qu'une fragmentation se produit encore dans une certaine meure de sorte que l'on dispose de renseignements sur la structure cependant qu'un nombre suffisant d'ions de l'espèce relativement stable à nombre pair d'électrons subsiste pour donner des renseignements sur la masse du parent. Ainsi, on obtient dans une seule expérience les caractéristiques intéressantes de l'ionisation par impact d'électrons et de l'ionisation chimique.

La température de la cible peut être réglable par chauffage ou refroidissement afin de maintenir l'échantillon à l'état voulu.

Pour des échantillons constituant des matières convenables, il est avantageux de prévoir des moyens permettant de produire un ion pseudo-moléculaire d'une espèce à nombre pair d'électrons par la fixation, sur le composé formant l'échantillon, d'un cation autre que H+, tel qu'un ion de métal alcalin ou un anion tel qu'un ion halogénure. L'effet obtenu consiste à modifier l'étendue et le mode du processus de fragmentation de façon à obtenir dans le spectromètre une gamme différente de renseignements. Cette modification peut être réalisée par la transformation de l'échantillon en un sel approprié ou par l'addition de composés ioniques convenables.

L'angle entre la direction d'incidence des particules et la surface du revêtement se situe de préférence entre 100 et 300. A mesure qu'augmente l'angle de bombardement, la probabilité que les ions pseudo-moléculaires représentatifs voulus ne soient pas produits intacts à la surface, mais que l'on obtienne seulement des ions de fragmentation, augmente.

Si l'angle d'incidence est rendu très petit, on peut tolérer une plus grande énergie de faisceau, mais l'interaction avec la matière de la surface devient de plus en plus difficile à maîtriser.

Les particules neutres peuvent être produites par neutralisation de charge à partir d'un faisceau d'ions ayant une énergie qui n'excédera généralement pas lOkeU. La gamme de 2keV à 6keV donne un rendement adéquat en des ions pseudomoléculaires à partir de beaucoup de matières intéressantes.

L'exploitation complète du procédé peut exiger l'utilisation d'un modèle raffiné d'anelyseur de masse, comme un instrument à grande résolution et double focalisation, pour que l'on puisse obtenir des renseignements concernant la structure d'une molécule à l'aide de la relation génétique ou d'apparentement entre ces produits de fragmentation. Un avantage du procédé consiste également en la possibilité d'utiliser maintenant un spectromètre à filtre quadripolaire ou à monofocalisation dans le mode classique pour obtenir des renseignements sur des structures simples ou pour confirmer la présence d'une molécule, dont on supposait l'existence éventuelle, dans une matière considérée jusqu a présent comme ne pouvant pas être traitée.

La nature de l'invention sera maintenant rendue plus claire par la description, à titre illustratif et nullement limitatif, d'une forme de réalisation d'un appareillage convenable et de son mode de fonctionnement, en regard des dessins annexés sur lesquels
la figure 1 représente schématiquement un spectromètre de masse à double focalisation
la figure 2 représente schématiquement une source d'ions pour un spectromètre de masse à utiliser selon l'invention ;
les figures 3 à 7 représentent des spectres de masse obtenus selon l'invention ; et
la figure 8 représente schématiquement la fragmentation que l'on peut supposer à l'examen des spectres des figures 4 à 7.

Un spectromètre de masse comprend essentiellement une source d'ionisation destinée à obtenir, à partir d'un échantillon, des ions à admettre dàns un analyseur de masse et, avant de considérer en détail la source des ions, on va brièvement examiner une forme classique d'analyseur de masse.

Un faisceau essentiellement mono-énergétique d'une seule espèce ionique qui entre dans un champ magnétique uniforme est dévié selon un arc de cercle dont le rayon dépend du rapport de la masse à la charge de l'ion. Des ions présentant des rapports différents de la masse à la charge, et qui sont présents dans un faisceau mixte, peuvent donc être séparément décelés dans leurs orbites respectives. En variante, chaque espèce peut être mise tour à tour dans la même orbite par examen de balayage dans une gamme de tensions d'accélération à l'entrée du faisceau ou par balayage dans une gamme de valeurs du champ magnétique. De telles orbites sont logées entre des pièces polaires qui ont généralement la forme de secteurs de cercles.

Le spectromètre de masse à monofocalisation, tel que décrit en principe dans le paragraphe précédent, effectue une discrimination entre les particules selon leur impulsion ou quantité de mouvement. On obtient donc une résolution médiocre de chaque valeur de la masse lorsqu'il y a un étalement important de la vitesse initiale. Puisque les ions produits par bombardement d'une surface ont de façon caractéristique une distribution large de l'énergie, l'analyse de la masse de tels ions va habituellement exiger l'utilisation d'une technique à double focalisation donnant une meilleure résolution. On y parvient en appliquant un champ électrostatique de déviation, habituellement en amont de l'analyseur magnétique, afin d'effectuer un choix dans le faisceau initial ou de focaliser celui-ci en réponse aux énergies cinétiques des particules.

La figure 1 montre schérnatiquement un analyseur de masse à double focalisation, dans la configuration connue sous le nom de géométrie de Nier-Johnson Un faisceau 10 d'ions est produit par bombardement d'une cible (non représentée). La largeur du faisceau est limitée par un dispositif 1 1 à fente destiné à 1' admission dans 1' intervalle annulaire entre deux plaques 12 et 13 de déviation électrostatique, qui comprennent respectivement des secteurs faisant partie de surfaces cylindriques concentriques externe et interne.

Le potentiel à la fente 11 est le même que le potentiel moyen (typiquement nul) des plaques 12, 13, qui sont symétriquement alimentées de sorte que le faisceau entre dans l'intervalle entre les plaques en provenant d'une région sans champ.

A son entrée, le faisceau est inévitablement divergent dans une certaine mesure et aussi, en raison d'une caractéristique antérieurement notée de l'ionisation par bombardement, il comprend des ions présentant une large distribution d'énergies. L'effet du champ électrostatique radial dans l'intervalle entre les plaques consiste à séparer les trajectoires des ions selon leur énergie mais aussi à faire converger les ions de même énergie qui initialement suivaient des trajets divergents. La focalisation directionnelle résultante est indiquée en un plan 15 situé au-delà des plaques 12, 13. Le faisceau continue à se déplacer dans une seconde région sans champ pour entrer dans un secteur 16 de champ magnétique qui, tel qu'on le voit, produit un champ perpendiculaire au plan de la figure.Une séparation des particules faisant partie du faisceau en des orbites circulaires respectives se produit alors selon le rapport masse:charse.

Une focalisation se produit également, de sorte qu'à la sortie du secteur 16 on peut trouver pour chaque espèce un point auquel la focalisation de la direction et -la focalisation de la vitesse coïncident. Le point de double focalisation pour un seul rapport masse:charge est indiqué en 17. Un multiplicateur d'électrons 18 reçoit le faisceau au point 17 et il est relié à un appareillage classique (non représentél de mesure du courant et d'enregistrement et de traitement des donnees.

Dans le spectromètre de masse, d'autres espèces sont envoyées à leur tour au même point de double focalisatiorl par le balaya- ge d'une gamme de valeurs du champ magnétique. En variante, pour la spectrograph ie de masse, les ions sépares selon lez masse peuvent être décelés simultanément à l'aide d'une plaque photographique ou d'un réseau de multiplication d'électrons.

La figure 2 montre en coupe l'agencement d'une source 19 qui fournit des ions à analyser saque l'on désigne commodément, aux fins du présent mémoire, comme étant des "ions analftiques")à introduire dans le dispositif Il à fente de la figure 1. Les ions analytiques sont produits dans la source 19 par bombardement d'un échantillon à l'aide d'atomes neutres provenant, par échange de charge, d' ut faisceau d'ions positifs, que l'on désigne ici comme était des "ions primaires" .Pour simplifier, la totalité de la source 19, y compris une chambre à échantillon, est indiquée comme formant une seule enceinte reliée à une source de dépression. En pratique, puisque les diverses étapes de la production des ions ont des exigences différentes en ce qui concerne le v ide ou la dépression, l'enceinte va comprendre des compartiments reliés par des raccords à brides classiques avec, pour chaque compartiment, des raccords appropriés, avec une source de production d'un vide poussé ou permettant une fuite de gaz.

De tels éléments de structure sont d'utilisation courante et ne sont pas représentés sur les figures.

Comme première étape de la production d'ions analytiques, la source 19 comprend, sur un axe 20, une chambre cylindrique 21 de décharge, emplie de gaz et destinée à engendrer des ions primaires. Une anode cylindrique 22, montée concentriquement à l'intérieur de la chambre 21, est maintenue à une tension positive élevée telle qu'une ionisation se produit en atmosphère d'argon à environ 10 3 torr (0,13 Pa).

On peut augmenter le rendement de l'ionisation en réalisant un champ magnétique à l'aide d'un solénoïde ou électro-aimant 23 monté coaxialement avec la chambre 21 et extérieurement par rapport à elle. Des ions primaires sont extraits de la chambre 21 à une ouverture axiale 21a avec une énergie se situant typiquement entre 2 et 6 keV, et ils sont mis sous forme d'un faisceau dans une région à vide poussé contenant une lentille électrostatique 24 à trois éléments. La direction du faisceau est en outre réglée par deux plaques 25, 26 de déviation électrostatique pour faire passer ce faisceau par deux ouvertures 27, 28 espacées le long de l'axe 20. Entre les ouvertures 27, 28, le faisceau pénètre dans une chambre 30 qui emprisonne une atmosphère d'argon maintenue à la pression de 10 4 torr (0,013 Pa).Au sein de la chambre 30, il se produit un échange de charges en résonance donnant, le long de l'axe 20, un faisceau d'atomes d'argon ayant presque la même énergie que le faisceau des ions primaires. La charge est dissipée par transfert à la paroi de la chambre 30 qui est au potentiel de la masse ou terre. Quelques ions primaires continuent à se déplacer avec le faisceau atomique et ils sont déviés à l'écart de l'axe 20 par des plaques 31 de déviation électrostatique. Des grilles 32 d'échantillonnage du courant du faisceau sont placées immédiatement en aval des ouvertures 27, 28 pour surveiller l'efficacité de l'échange des charges dans la chambre 30. Typiquement, la densité du faisceau neutre se situe entre 1013 et 101l atomesZcm2/s.

Après passage devant les plaques 21, le faisceau atomique entre dans un tube 33 de parcours libre ou de vol conduisant à une chambre 34 d'échantillon, agencée pour être montée sur un spectromètre de masse classique à double focalisation, comme l'appareil AEI type mus902.

L'axe de montage de la chambre 34 est perpendiculaire à l'axe 20 et il constitue l'axe 35 normal d'admission des ions, par le dispositif 11 à fente, dans l'analyseur de masse. Une sonde porte-échantillon 36 est agencée de manière à pénétrer dans la chambre 34 le long de l'axe 35 par un sas classique 37 à vide. La sonde 36 se prolonge par un porteéchantillon ou cible 38 en métal (habituellement en cuivre), ayant une face pouvant être disposée à un angle allant jusqu'à 450 par rapport à 11 axe 20, et elle peut être chauffée ou refroidie. La cible 38 peut être sous forme d'un bloc comportant des conduits internes 39 dans lesquels on peut faire circuler, à l'aide d'une pompe, un fluide de chauffage ou un fluide de refroidissement comme l'azote liquide.En variante, la cible 38 peut comprendre, ou être constituée par, une mince feuille de métal sur laquelle des connexions électriques (non représentées) peuvent être réalisées pour un chauffage par résistance. Le composé à étudier est préparé en un mince revêtement liquide sur la face inclinée de la cible 38, de sorte que, sous l'effet du bombardement atomique les ions analytiques produits soient facilement attirés à travers le dispositif 11 à fente. La sonde 36 peut être dirigée dans les trois dimensions par des entrainements micrométriques (non représentés) situés à l'extérieur du sas à vide, afin d'exposer au faisceau atomique n'importe quelle partie voulue de l'échantillon. En outre, la sonde 38 est électriquement polarisée par rapport as dispositif 11 à fente? due sorte que les ions analytiques pénètrent dans l'analyseur de masse en ayant l'énergie moyenne voulue.

On a utilisé une tension de polarisation alliant jusqu'à +8 kv, et la grande intensité de champ inhérente à cet agencement donne des rendements d'extraction d' ions bien supérieurs à ceux antérieurement obtenus. La polarité de la cible 38 par rapport au dispositif 11 à fente est choisie de manière à sélectionner des ions positifs ou négatifs parmi les particules pulvérisées, sans influer sur la production du faisceau d'atomes.

I1 va de soi que la chambre 34 à échantillon peut être adaptée en vue de recevoir les ions provenant de techniques classiques d'ionisation, en plus de ceux provenant de la structure de formation d'un faisceau d'atomes, de sorte que l'on peut utiliser d'autres procédés sans avoir à démonter l'appareillage.

I1 va également de soi que, dans le cadre de l'invent ion, le faisceau de particules atomiques ou d'autres particules neutres peut être produit de n'importe quelle façon convenable et, qu'en particulier, on peut utiliser des formes de sources d'ions primaires et de systèmes d'échange de charges autres que celles décrites à propos de la figure 2.

En décrivant l'appareil de la figure 2, on ne s'est que brièvement référé à certains aspects du mode opératoire expérimental,qui sont importants pour l'obtention des résultats à décrire ci-après. Ainsi, l'énergie du faisceau d'ions primaires, qui est essentiellement préservée dans le faisceau neutralisé subséquent, est indiquée comme se situant typiquement dans la gamme de 2 à 6 keV, mais cela ne constitue pas un choix fondamental. En général, une plus grande valeur sera appropriée dans le cas d'un faible angle d'approche ou d'incidence. Une valeur bien plus petite va engendrer un nombre adéquat d'ions analytiques, à la condition que le seuil d'énergie des ions pulvérisés, typiquement environ 20 eV, soit dépassé, mais le faisceau primaire devient plus difficile à focaliser et à diriger en présence de champs étrangers.

A une valeur bien plus grande, supérieure, par exemple, à 10 keV, le faisceau devient de plus en plus destructeur et l'on introduit alors une certaine incertitude concernant le fait de savoir si les ions analytiques extraits donneront bien les renseignements voulus sur la structure. On souligne que le but de la mise en oeuvre de la présente invention consiste à obtenir à la fois des ions pseudo-moléculaires et des ions constituant des fragments importants pour la connaissancc de la structure et qui, ensemble, donnent de tels renseignements.

Un facteur plus important pour parvenir à ce but consiste en le choix de l'angle selon lequel le faisceau neutre va heurter le revêtement ménagé à la surface de la cible. On dispose d'une gamme allant jusqu'à 450 pour ajuster l'orientation de la face de la cible 38 de la figure 2, mais l'on préfère un angle non supérieur à 300. et 200 s'est avérée être une valeur convenable dans les études et investigations effectuées jusqu'a présent. Si l'angle est augmenté jusqu'à 450 ou au-delà, il devient de plus en plus probable qu'aucune molécule intacte ne s'échappera de la surface et qu'une désagrégation se produira au point de bombardement.L'angle peut être réduit au-dessous de 200, mais une diminution excessive va progressivement introduire une incertitude inopportune dans la définition de la géométrie de la zone d'impact, et une interaction énergétique constante avec la surface sera de plus en plus difficile à maintenir. On pense qu'un angle d'environ 100 constitue la limite inférieure utilisable.

La préparation d'échantillons est très simple, mais elle s'est avérée présenter une grande importance pour l'obtention de spectres persistants. On nettoie la surface de la cible (le substrat) et on peut la soumettre à une attaque chimique à l'aide d'un acide,ou la rendre rugueuse par un moyen mécanique, pour améliorer le contact en surface.

Dans des expériences antérieures, on a obtenu des spectres, dans le cas de matières corme des peptides et des saccharides, qui ont été déposées sur le substrat à partir d'une solution aqueuse puis séchées. I1 a cependant été observé que, pour des échantillons solides ou de dépôt à sec, le spectre ionique est souvent transitoire, l'intensité de l'ion moléculaire intéressant disparaissant en une période d'un petit nombre de minutes. La cause de cette disparition n'est pas clairement connue, mais des facteurs qui peuvent éventuellement y contribuer sont l'endommagement de la surface par le faisceau des atomes et la contamination de la surface par des gaz résiduels.On peut limiter les dégâts dus au bombardement en restreignant l'énergie ou l'intensité du faisceau et son angle d'impact à la surface et aussi en utilisant une grande surface d'échantillon (0,5 cm2 ou davantage) autour du point d'impact. Le taux de contamination n'atteint une faible valeur acceptable que si la pression régnant dans la région de l'échantillon du spectromètre est maintenue à une valeur égale ou inférieure à 10-8 T (1,33 x 10 Pua), mais l'on comprend bien que l'on ne puisse atteindre une telle valeur dans la plupart des grands instruments. I1 s'est cependant avéré pratiquable, selon lin- vention,d'obtenir des spectres sans perte de la sensibilité en ions parents, sur des heures, par dissolution des composés constituant les échantillons dans des milieux convenables ayant une faible volatilité. Une telle stabilité du comportement de l'échantillon conduit à penser qu'il se produit un remplacement continu du composé à la surface bombardée du revêtement, lorsque l'échantillon est préparé à l'état mobile.

Les matières non volatiles intéressantes, notamment dans un contexte biomédical, sont généralement solubles dans l'eau et dans d'autres solvants à forte polarité, et le principal critère de choix d'un milieu pour l'échantil- lon est celui d'une basse volatilité. Le glycérol a servi dans le présent travail, mais d'autres polyalcools pourraient aussi bien convenir. Dans certains cas, la solubilité naturelle peut être trop faible et elle peut être améliorée par l'utilisation d'un agent mouillant. Par exemplc, dans une expérience sur la chlorophylle A, on a trouvé que sa solubilité dans le glycérol était très médiocre et que l'échantillon ne donnerait pas de spectre. L'addition de 1 de l'agent connu dans le commerce sous le nom de "Triton-XlO0" au glycérol a donné une solution à partir dc laquelle on a obtenu un spectre complet.

La viscosité relativement élevée du glycérol constitue un avantage éventuel en limitant l'écoulement à la surface de la cible, mais la quantité de revêtement est géné ralement si faible qu'un écoulement en masse ne constitue pas une considération importante. La gamme de concentration de l'échantillon dans le milieu, que l'on peut utiliser, s'étend au moins de 10 mole.dm à 1 mole.dm Pour le maximum de sensibilité, la concentration volumique ou apparente suffit, pense-t-on, à maintenir en surface une concentration des molécules de l'échantillon équivalant à une monocouche continue. Dans cet état, la matière formant le milieu apparait dans le spectre à une très basse intensité ou n'apparaît pas du tout.Dans un volume de solution qui est pat exemple de 10 microlitres, la quantité de matière correspondant à 1' échan- tillon solide à la masse 1000 pourrait se situer entre 0,01 microgramme et 0,01 gramme. La quantité inférieure donnerait un spectre ne contenant que le ou les pics les plus intenses, mais le procédé présente l'avantage de permettre d'obtenir une indication de n'importe quel genre à partir de dimensions d'échantillon de l'ordre de quelques dizaines de nanogrammes.

Bien entendu, il vaut mieux augmenter la dimension de l'échantillon et tendre vers l'extrémité supérieure de la gamme à laquelle on va obtenir un spectre complet, y compris des fragments à faible intensité.

Les inventeurs de la présente invention ont également compris que le cadre de l'expérience peut être agrandi et que les trajets de fragmentation peuvent être modifiés par l'introduction d'anions de stabilisation, ou de cations autres que H+, dans l'ion pseudo-moléculaire. Ce processus peut provenir de la forme préparée de l'échantillon que l'on choisit, ou il peut être provoqué. Par exemple, on a obtenu des spectres à partir de sels d'antibiotiques de formulation commerciale, comme ceux représentés sur la figure 3 pour le sulfate de néomycine qui, sous cette forme, s'est avéré quasi impossible à caractériser par un autre procédé quel conque de spectrométrie de masse. Dans d'autres cas, il suffit d'ajouter un sel à la solution ou à la suspension contenant l'échantillon.Par exemple, NaCl, KBr ou NH4C1 vont produire respectivement les ions positifs stabilisés /Vi+Na7+, /ïï+K7+ ou /Vl+N1147+, et les ions négatifs correspondants /M+C1/ , /M+Br7 ou /n+C1/-. On peut choisir de cette façon les renseignements à obtenir dans la mesure où une augmentation de stabiiité augmente la sensibilité des ions pseudomoléculaires mais diminue les renseignements provenant de la fragmentation. Dans certains cas, comme un sucre auquel un ion ammonium est fixé, le schéma de fragmentation peut en être altéré.

quelques autres résultats expérimentaux seront maintenant décrits de façon schématique pour montrer l'application du bombardement atomique dans des zones essentiellement nouvelles d'études. I1 a été possible, par exemple, de montrer pour la première fois que l'utilisation d'une mesure de masse de grande précision permet d'établir de fa çon non ambiguë les compositions atomiques des ions moléculaires pulvérisées. Pour le monosaccharide qu'est le ribose, il a été montré que les ions constituant des fragments à m/z = 133, 73 et 45 ont respectivement les compositions
C5H904+, C3H502+ et C 2H5 0+.

En outre, les trajets de fragmentation entre ces ions fragmentaires ont été établis par la détection des transitions métastables correspondantes, à savoir

On observe de telles transit ions dans la première région sans champ (comme on le sait de façon classique) qui se situe entre la fente de sortie de la source des ions et l'entrée de l'analyseur électrostatique. On s'attend à ce que la démonstration de l'existence de telles transitions pour des ions pulvérisés, que 1 on n'avait pas observés antérieurement, permette de mieux comprendrc le processus de pulvérisation et celui des réactions en surface, en plus de l'élargissement du cadre de la détermination des structures moléculaires.

Comme autre exemple de la possibilité de produire des renseignements détaillés concernant une structure moléculaire, on va maintenant décrire, en se référant aux figures 4 à 8, les résultats obtenus pour le tripeptide alanylleucyl-glycine.

On voit sur les figures 4 et 5 la distinction entre les résultats observés selon le signe de l'ion analytique obtenu par bombardement du tripeptide par des atomes. La figure 4 montre le spectre correspondant aux ions positifs cependant que la figure 5 constitue le spectre correspondat pour des ions négatifs. Les deux montrent une bonne intensité des ions pseudo-moléculaires, les premiers à m/z 260 correspondant à /Vi+H7+, les seconds à m/z 258 correspondant à /Fl-H7 , où M est la molécule neutre.

Lorsqu'on utilise un spectromètre de masse tel que AEI lys902, il est possible d'observer des pics métastables à des nombres de masse non entiers qui correspondent à des transitions se produisant dans la seconde région sans champ du spectromètre, laquelle se situe entre la sortie de l'analyseur électrostatique et l'entrée du secteur magnétique.

On voit sur la figure 6 que pour l'slanyl-leucyl-glycine, un pic métastable se produit à m/z 131,6 (=1852/260) par suite de la transition :

En outre, on peut déterminer, par la détection des transitions métastables se produisant dans la première région sans champ, les ions constituant les précurseurs d'un ion fragmentaire observé. La figure 7 montre les résultats que l'on obtient pour l'alanyl-leucyl-glycine (Ala
Leu-Gly) dans une telle expérience. On détermine ainsi, par balayage dans une gamme de la tension V d'accélération des ions, que les précurseurs de l'ion fragmentaire à mZz 185 sont les ions correspondant à m/z 203, 215, 242 et 260, ce dernier étant l'ion pseudo-moléculaire.

Comme on le voit sur la figure 8, l'application de ces procédés de balayage de la tension V d'accélération des ions permet de déterminer, par la détection des transitions métastables se produisant dans la première région sans champ, un schéma complet de fragmentations permettant de déduire sans ambiguïté la structure moléculaire du tripeptide alanyl-leucyl-glycine.

I1 a également été démontré que le procédé peut s'appliquer à des molécules à poids moléculaire particulièrement élevé comme l'undécapeptide méthionyl-lysyl-bradykinine -- de masse 1318.

De tels résultats ont montré que l'utilisation d'une source d'ions donnant un faisceau atomique, avec un spectromètre-de masse à double focalisation, permet d'atteindre un grand pouvoir de résolution de la masse et de réaliser la détection de transitions métastables. Cependant, si la forme géométrique selon Nier-Johnson de l'analyseur de la figure 1 donne la précision des premier et second ordres dans la focalisation en direction, cette forme ne donne pas le meilleur degré disponible de focalisation de l'énergie, et il est probable que l'on puisse obtenir une résolution de la masse et une sensibilité encore améliorées avec des instruments ayant une meilleure focalisation énergétique.

On peut également utiliser d'autres formes géométriques dans des instruments à double focalisation, selon des modes opératoires analytiques connus, et l'on peut introduire des dispositifs et moyens auxiliaires pour induire une fragmentation, comme une cellule emplie de gaz pour des collisions, et qui est placée dans une région sans champ.

Néanmoins, on peut utiliser selon l'invention un spectromètre plus simple, tel qu'un instrument magnétique à quatre pâles ou à une seule focalisation. On obtient des spectres de -moins bonne qualité, notamment pour la résolution de la masse, et il n'est pas possible d'établir une liaison "génétique" ou d'apparentement des produits de la fragmentation métastable, mais, en tenant compte de ces contraintes, on obtient des applications analytiques utiles.

I1 vient d'être expliqué que le procédé de l'invention permet d'effectuer une étude de la structure de nombreux composés solides non volatils, d'importance industrielle et biomédicale, que l'on considérait antérieurement comme ne pouvant être soumis à une observation par spectrométrie de masse. Un résultat du procédé est que l'on peut utiliser avantageusement, notamment en mettant en oeuvre le spectromètre 9 double focalisation, la large distribution d'énergie parmi les produits d'ionisation du processus de bombardementJ pour observer les ions pseudo-moléculaires aussi bien que les transitions métastables.

I1 va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé decrit et représenté pour l'investigation de la structure moléculaire d'un composé normalement solide et non volatil.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'investigation de la structure moléculaire d'un composé normalement solide et non volatil, ce procédé comprenant les opérations consistant à produire des ions du composé et à les soumettre à une analyse de masse et étant caractérisé en ce que l'opération de production des ions du composé comprend la formation, sur une cible (38), d'un revêtement dans lequel un échantillon du composé est présent à l'état mobile à la surface exposée du revêtement, le bombardement de cette surface à l'aide de particules moléculaires électriquement neutres,qui viennent frapper cette surface selon un angle d'incidence n'excédant pas 450 et ont une énergie cinétique telle que le résultat global du bombardement est la production d'une gamme d'espèces d'ions, comprenant à la fois des ions pseudo-moléculaires et des ions qui sont des fragments importants pour la connaissance de ladite structure.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé constituant l'échantillon est dissous dans un milieu à faible volatilité.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu est un glycol.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillon est chimiquement modifié avant le bombardement, de sorte que les ions pseudo-moléculaires résultant du bombardement contiennent un ion stabilisant prédéterminé autre qu'un proton.

5. Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que la surface du revêtement est bombardée par des particules qui frappent cette surface selon un angle d'incidence se situant entre 100 et 300.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur de l'énergie cinétique des particules se situe entre 2keV et 6 keV.