FR3110702A1 - Système et procédé d’analyse de COV par LTP-MS - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système et un procédé d’analyse de COV adsorbés sur une membrane adsorbante par LTP-MS. Le système comprend un réceptacle pour la réception de la membrane adsorbante, un ioniseur par plasma à basse température et adapté pour émettre un flux de plasma suivant une direction d’émission de plasma ionisant ainsi les COV adsorbés par la membrane et formant un gaz ionisé chargé en COV, et un spectromètre de masse pour analyser les COV ionisés. Figure de l’abrégé : Figure 1
Description
La présente divulgation concerne le domaine de la détection de composés organiques volatiles, les COV. Notamment, la présente divulgation concerne le domaine des systèmes d’analyse de COV, et plus particulièrement des COV adsorbés sur une membrane adsorbante, ainsi que des procédés d’analyse de tels COV.
Plusieurs stratégies sont couramment utilisées pour le diagnostic fondé sur l’analyse des COV. Certaines reposent par exemple sur des méthodes de spectrométrie de masse (MS). Cependant, ces méthodes ne permettent pas l’analyse en temps réel etin vivo. Les techniques les plus couramment utilisées pour l’analyse des COV sont présentées ci-dessous. En outre, la plupart des diagnostics sont fondés sur l’analyse de l’air exhalé.
Ainsi, parmi ces méthodes la technique couplant la chromatographie en phase gazeuse et la spectrométrie de masse (en anglais :gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS) ou la détection à ionisation de flamme (en anglais :gas chromatography-FID) sont considérées par l’Agence américaine de la protection environnementale (en anglais :Environmental Protection Agency, EPA, https://www.epa.gov) comme les références pour l’analyse des COV. Cependant, elles ne permettent pas l’analyse directe en temps réel comme l’analyse d’air exhalé et l’air ambiant et requiert une préconcentration des échantillons sur des résines ou des phases stationnaires adsorbantes. Les échantillons sont ensuite désorbés à haute température (de 200°C à 300°C) puis introduits dans la colonne GC permettant ainsi leur séparation puis leur détection en ligne par MS ou par FID. Néanmoins, ces techniques restent à ce jour celles fournissant le plus d’information en termes d’identification et de quantification. Cependant, elles présentent l’inconvénient de nécessiter un temps d’analyse long qui est d’environ 30 min. En outre, les FID ne sont sensibles qu’aux composés carbonés et fournissent peu d’informations qualitatives et ne permet pas l’identification.
Il y a aussi la spectrométrie de masse par sélection d’ions le long d’un tube d’écoulement (en anglais :selected-ion flow-tube mass spectrometry,SIFT-MS). Cette technique a été développée dans les années 1970 et permet d’analyser en ligne et en temps réel des traces de COV à partir d’échantillon gazeux (par exemple de l’air exhalé) ou de fluides biologiques comme l’urine et le sang par la méthode dite d’espace de tête (en anglais :headspace). Elle repose sur la production d’ions primaires dans une source à plasma à partir de l’air et de vapeur d’eau. A partir de ce plasma, une seule espèce d’ions est sélectionnée à l’aide d’un quadripôle, tel que les ions H3O+, NO+et O2 +, qui sont injectés dans une cellule afin d’ioniser les COV présents pour leur analyse en fonction de leur ratio masse sur charge (m/z) dans un second quadripôle. L’ionisation étant douce, cela entraine principalement la formation d’ions moléculaires simplifiant ainsi l’interprétation des spectres de masse notamment dans le cas de mélanges complexes tel que l’air exhalé. Cette technique permet de sélectionner indépendamment trois ions primaires permettant d’obtenir trois spectres de masses différents ; ce qui est intéressant pour l’analyse de composés ayant des propriétés différentes. De plus, le SIFT-MS permet l’analyse en temps réel et la quantification simultanée de plusieurs COV sans prétraitement préalable. Elle est donc rapide, facilement manipulable et offre une limite de détection de l’ordre du ppb. Cependant, elle présente l’inconvénient d’analyser exclusivement des échantillons gazeux et ne permet pas l’analyse de surface.
Une autre technique connue est la spectrométrie de masse par transfert de proton (en anglais :proton transfert mass spectrometry, PTR-MS). Cette technique a été développée dans le milieu des années 1990, est une évolution du SIFT et repose sur la réaction de transfert de proton en phase gazeuse entre les ions hydronium (H3O+) et les COV. La réaction de transfert de proton s’effectue dans une cellule de dérive (en anglais :drift) permettant de limiter la formation de d’amas avec les molécules d’eau contenues dans l’air ambiant. L’exothermicité du transfert de proton étant faible, peu ou pas de fragmentation est observée permettant de détecter des espèces intactes simplifiant ainsi l’identification des COV. A l’origine, le PRT-MS était équipé d’un quadripôle an tant qu’analyseur mais d’autres instruments tels que le piège à ions (en anglais :ion trap) ou le temps de vol (en anglais :time of flight, TOF) ont été intégré au PTR-MS. Dans les années 2000, l’introduction du TOF a permis de détecter les COV avec une plus grande résolution et aussi une plus grande précision de mesure de masse. Le PTR-MS présente une limite de détection de l’ordre du ppt et surtout ne nécessite pas de préconcentration de l’échantillon qui peut être chronophage. De plus, l’avantage de cette technique repose sur l’analyse quasiment en temps réel sans la nécessité d’adsorber puis de désorber l’échantillon, or, ces adsorption et désorption peuvent entrainer des pertes liées aux propriétés du support. Le PTR-MS étant une technique d’analyse rapide des COV et facile à manipuler, le nombre d’échantillons pouvant être étudiés est nettement supérieur qu’en chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (en anglais :gaz chromatography-mass spectrometry, GC-MS), bien que la quantité d’information reste plus basse. Cependant, tout comme le SIFT-MS, cette technique ne permet que l’analyse d’échantillons gazeux et ne permet pas cette des surfaces. Par ailleurs, cette technique reposant sur le transfert de proton, elle est limitée aux analytes dont l’affinité protonique est supérieure à celle du l’ion hydronium H3O+.
Il y a encore la spectrométrie de masse par introduction de membrane (en anglais :membraneintroductionmass spectrometry, MIMS). Cette technique a été introduite en 1963 et permet l’analyse directe et en continue de COV compris dans un mélange complexe. Le MIMS repose sur l’utilisation de membranes semi-perméables, telles que les membranes en polydimethylsiloxane (PDMS) (ou silicone), comme interface entre l’échantillon et le spectromètre de masse. La membrane permet la préconcentration des COV en fonction de leurs propriétés physicochimiques et leur transfert dans le spectromètre de masse tout en éliminant simultanément le reste de l’échantillon non retenu. Les COV adsorbés diffusent à travers la membrane et sont évaporés directement dans la source d’ions. Par conséquent, les phénomènes de suppressions d’ions liés à la matrice de l’échantillon sont grandement diminués. Le couplage direct entre les membranes semi-perméables et le spectromètre de masse permet d’obtenir une méthode d’analyse rapide en continu avec un minimum de préparation d’échantillon. La sélectivité et la sensibilité de cette technique sont gouvernées par l’efficacité d’ionisation et le spectromètre masse mais aussi par la sélectivité des membranes utilisées. Cette technique est applicable aux échantillons liquides ou gazeux.
Enfin, la technique combinant le plasma à basse température et la spectrométrie de masse (en anglais :low temperature plasma-mass spectrometry, LTP-MS) a été introduite en 1996. Un plasma est généré à l’aide d’une barrière diélectrique de décharge (en anglais :dielectric barrier discharge, DBD) obtenue par l’application d’une haute tension et l’utilisation de gaz tel que l’hélium. Ce plasma permet l’ionisation des COV directement à la surface d’échantillons solides ou liquides, mais également de COV déjà présents en phase gazeuse (air ambiant et souffle exhalé). Le LTP est une source d’ionisation douce permettant l’analyse en temps réel de COV à partir d’échantillons solides, liquides ou gazeux, et éventuellement directement à la surface de ceux-ci. Cette technique est également compatible avec l’analyse d’air exhalé et d’air ambiant.
Résumé
La présente divulgation vient améliorer la situation.
Ainsi, la présente invention propose un (S1) système d’analyse de COV adsorbés sur une membrane adsorbante par LTP-MS, comprenant :
- un réceptacle pour la réception de la membrane adsorbante ;
- un ioniseur par plasma à basse température et adapté pour émettre un flux de plasma suivant une direction d’émission de plasma ionisant ainsi les COV adsorbés par la membrane et formant un gaz ionisé chargé en COV ; et
- un spectromètre de masse pour analyser les COV ionisés.
- un réceptacle pour la réception de la membrane adsorbante ;
- un ioniseur par plasma à basse température et adapté pour émettre un flux de plasma suivant une direction d’émission de plasma ionisant ainsi les COV adsorbés par la membrane et formant un gaz ionisé chargé en COV ; et
- un spectromètre de masse pour analyser les COV ionisés.
(S2) Système selon S1, comprenant en outre un chauffage pour le chauffage de la membrane adsorbante.
(S3) Système selon S1 ou S2, dans lequel le réceptacle est disposé hors du flux de plasma.
(S4) Système selon S3, dans lequel :
- le réceptacle est un récipient refermable de sorte à former un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie ;
- le récipient comprend une entrée de gaz vecteur pour l’arrivée d’un gaz vecteur à l’intérieur du récipient et une sortie de gaz pour la sortie d’un gaz chargé potentiellement en COV.
- le réceptacle est un récipient refermable de sorte à former un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie ;
- le récipient comprend une entrée de gaz vecteur pour l’arrivée d’un gaz vecteur à l’intérieur du récipient et une sortie de gaz pour la sortie d’un gaz chargé potentiellement en COV.
(S5) Système selon S4, comprenant en outre :
- un tube d’injection de gaz vecteur s’étendant le long d’un axe d’injection de gaz et dont l’une des extrémités, l’extrémité de sortie, débouche dans le récipient clos, le récipient clos étant configuré pour maintenir la membrane adsorbante de sorte que sa surface soit perpendiculaire à l’axe d’injection de gaz, permettant ainsi au gaz vecteur de se charger en COV à sa traversée de la membrane ; et
- un tube guide pour l’acheminement du gaz vecteur chargé de COV vers l’ioniseur.
- un tube d’injection de gaz vecteur s’étendant le long d’un axe d’injection de gaz et dont l’une des extrémités, l’extrémité de sortie, débouche dans le récipient clos, le récipient clos étant configuré pour maintenir la membrane adsorbante de sorte que sa surface soit perpendiculaire à l’axe d’injection de gaz, permettant ainsi au gaz vecteur de se charger en COV à sa traversée de la membrane ; et
- un tube guide pour l’acheminement du gaz vecteur chargé de COV vers l’ioniseur.
(S6) Système selon S5, comprenant le chauffage, et dans lequel le chauffage est disposé autour du tube d’injection pour le chauffage du gaz vecteur.
(S7) Système selon S5 ou S6, dans lequel le récipient clos comprend un support de membrane pour le support d’une membrane, une entrée d’échantillonnage pour l’entrée d’un gaz échantillon et le chargement de la membrane en COV, une sortie d’échantillonnage pour la sortie du gaz échantillon, une entrée de gaz vecteur.
(S8) Système selon S7, dans lequel le support de membrane est un magasin de membranes configuré pour être mise en mouvement rotatif et/ou translationnel et comprend une pluralité de logements de membranes, le magasin de membranes étant monté de sorte à placer un seul logement, logement en analyse, en face de l’extrémité de sortie du tube d’injection et de l’extrémité d’entrée du tube guide.
(S9) Système selon S7 ou S8, dans lequel le magasin de membranes est monté de sorte à placer un seul logement, logement en charge d’échantillon, entre l’entrée d’échantillonnage et la sortie d’échantillonnage.
(S10) Système selon S4, comprenant en outre un tube guide et dans lequel :
- la sortie du récipient est prolongée par le tube guide dont l’extrémité libre est à proximité du flux de plasma lorsque celui-ci est émis de sorte à ce que le plasma ionise le gaz chargé à la sortie du tube.
- la sortie du récipient est prolongée par le tube guide dont l’extrémité libre est à proximité du flux de plasma lorsque celui-ci est émis de sorte à ce que le plasma ionise le gaz chargé à la sortie du tube.
(S11) Système selon S4, comprenant en outre un connecteur trois bras, et dans lequel :
- un premier bras est relié à la sortie du récipient ;
- un deuxième bras présente une extrémité dirigée vers l’entrée du spectromètre de masse ;
- l’ioniseur est configuré pour que le flux de plasma soit dirigé vers le troisième bras en opération.
- un premier bras est relié à la sortie du récipient ;
- un deuxième bras présente une extrémité dirigée vers l’entrée du spectromètre de masse ;
- l’ioniseur est configuré pour que le flux de plasma soit dirigé vers le troisième bras en opération.
(S12) Système selon S1 ou S2, dans lequel le réceptacle est disposé sous le flux de plasma de sorte à ce que le flux de plasma soit dirigé vers la membrane lorsque celle-ci est reçue dans le réceptacle.
(S13) Système selon S12, dans lequel :
- le réceptacle est un récipient refermable de sorte à former un milieu confiné à l’exception d’entrées et d’une sortie ;
- le récipient comprend une entrée de gaz vecteur pour l’arrivée d’un gaz vecteur à l’intérieur du récipient, une sortie de gaz pour la sortie du gaz ionisé et une entrée de plasma ;
- la sortie est prolongée d’un tube guide pour le guidage du gaz ionisé vers l’entrée du spectromètre de masse.
- le réceptacle est un récipient refermable de sorte à former un milieu confiné à l’exception d’entrées et d’une sortie ;
- le récipient comprend une entrée de gaz vecteur pour l’arrivée d’un gaz vecteur à l’intérieur du récipient, une sortie de gaz pour la sortie du gaz ionisé et une entrée de plasma ;
- la sortie est prolongée d’un tube guide pour le guidage du gaz ionisé vers l’entrée du spectromètre de masse.
(S14) Système selon l’un des S1 à S13, dans lequel l’ioniseur est un ioniseur à électrode unique ou à deux électrodes.
(S15) Système selon S14, dans lequel l’ioniseur est configuré pour une injection de gaz inerte à un débit compris entre 50 et 1000 mL/min.
(S16) Système selon l’un des S1 à S15, comprenant en outre une alimentation pour l’alimentation de l’ioniseur, notamment à une tension comprise entre 1 et 30 kV et notamment à une fréquence comprise entre 0,8 et 30 kHz.
(P17) Procédé d’analyse de COV adsorbés sur une membrane adsorbante par LTP-MS, comprenant :
- la fourniture d’une membrane adsorbante sur laquelle des COV ont été adsorbés ;
- la désorption des COV adsorbés sur la membrane adsorbante ;
- l’ionisation par plasma à basse température des COV désorbés formant ainsi un gaz ionisé ; et
- l’analyse par spectromètrie de masse du gaz ionisé.
- la fourniture d’une membrane adsorbante sur laquelle des COV ont été adsorbés ;
- la désorption des COV adsorbés sur la membrane adsorbante ;
- l’ionisation par plasma à basse température des COV désorbés formant ainsi un gaz ionisé ; et
- l’analyse par spectromètrie de masse du gaz ionisé.
(P18) Procédé selon P17, comprenant en outre le chauffage de la membrane.
(P19) Procédé selon P17 ou P18, dans lequel l’ionisation est réalisée à distance de la désorption.
(P20) Procédé selon P21, dans lequel la désorption est réalisé dans un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie de gaz, la membrane adsorbante étant disposée dans le milieu confiné ; le procédé comprenant en outre l’injection d’un gaz vecteur par l’entrée de gaz pour emporter les COV désorbés formant ainsi un gaz chargé en COV.
(P21) Procédé selon P20, comprenant en outre l’injection d’un gaz vecteur perpendiculairement à la surface de la membrane adsorbante ; et le guidage du gaz chargé en COV à l’injection de gaz vecteur jusqu’à l’ionisation.
(P22) Procédé selon P21, comprenant en outre le chauffage du gaz vecteur lors de son injection.
(P23) Procédé selon P20, comprenant en outre le guidage du gaz chargé en COV du lieu de désorption vers le lieu d’ionisation et dans lequel l’ionisation est réalisée à l’air libre.
(P24) Procédé selon P20, comprenant en outre le guidage du gaz chargé en COV du lieu de désorption vers le lieu d’ionisation et dans lequel l’ionisation est réalisée dans un milieu confiné.
(P25) Procédé selon P17 ou P18, dans lequel l’ionisation est réalisée à proximité immédiate de la désorption, notamment par la formation d’un flux de plasma dirigé vers la membrane adsorbante.
(P26) Procédé selon P25, dans lequel la désorption et l’ionisation sont réalisées dans un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie de gaz et où est disposée la membrane adsorbante ; le procédé comprenant en outre l’injection d’un gaz vecteur par l’entrée de gaz.
(P27) Procédé selon l’un des P17 à P26, dans lequel le plasma basse température généré lors de l’ionisation est obtenu à partir d’un gaz inerte, notamment du diazote ou un gaz rare, par exemple l’argon, l’hélium ou le néon.
(P28) Procédé selon P27, dans lequel le débit du gaz interne est compris entre 50 et 1000 mL/min.
(P29) Procédé selon l’un des P17 à P28, dans lequel l’ionisation est alimentée par une source de tension comprise entre 1 et 30 kV.
(P30) Procédé selon l’un des P17 à P29, dans lequel l’ionisation est alimentée par une source d’énergie à une fréquence comprise entre 0,8 et 30 kHz.
(P31) Procédé selon l’un des P17 à P30, comprenant en outre l’adsorption des COV sur la membrane adsorbante.
(P32) Procédé selon P31, dans lequel l’adsorption comprend la préconcentration des COV sur la membrane adsorbante.
(P33) Procédé selon P32, dans lequel la préconcentration est réalisée par échantillonnage statique dans l’espace de tête, échantillonnage dynamique dans l’espace de tête, ou microextraction en phase solide.
(P34) Procédé selon P33, dans lequel la préconcentration est réalisée par échantillonnage statique dans l’espace de tête par aspiration ou échantillonnage statique dans l’espace de tête par balayage gazeux.
(P35) Procédé selon l’un des P17 à P34, dans lequel l’analyse comprend la comparaison de spectres obtenus avec une banque de données d’empreintes moléculaires.
(P36) Procédé d’aide au diagnostic, comprenant le procédé selon P35, dans lequel des COV provenant du patient ont été adsorbés sur la membrane adsorbante, le procédé comprenant en outre la détermination du statut médical du patient en fonction la comparaison.
(P37) Procédé selon P36, dans lequel le statut médical du patient comprend une information concernant au moins l’un parmi le stade, le grade et le type de cancer dont est atteint le patient.
(P38) Procédé selon P36 ou P37, dans lequel le procédé est un procédé d’aide au diagnostic du cancer du sein.
(P38) Procédé selon P38, dans lequel l’adsorption est réalisée par la mise au contact de la membrane adsorbante avec la peau de la patiente pour l’adsorption des COV.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Fig. 10
Fig. 11
Fig. 12
Fig. 13
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente divulgation, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Système
Système
En référence aux dessins, un système d’analyse de COV adsorbés sur une membrane adsorbante par LTP-MS sera décrit ci-après. Un tel système, qui peut être embarquable, comprend un réceptacle1pour la réception de la membrane adsorbanteM, un ioniseur2par plasma à basse température (ioniseur LTP) et adapté pour émettre un flux de plasmaPsuivant une direction d’émission de plasma ionisant ainsi les COV adsorbés par la membraneMet un spectromètre de masse (MS)3configuré pour analyser le mélange gazeux comprenant les COV ionisés tels que le cyclohexanol C6H11–OH, le dodécan-2-one CH3–CO–(CH2)9–CH3, le nonan-2-one CH3–CO–(CH2)6–CH3et le 4-méthylheptan-2-one CH3–CO–CH2–CH(CH3)–(CH2)2–CH3. Ces COV sont présents notamment sur les échantillons prélevés sur les patientes souffrant du cancer du sein. Le système peut en outre comprendre une cellule de mobilité ionique (non représentée sur les figures) pour une analyse LTP-IMS (spectrométrie de mobilité ionique, ou encoreion mobility spectrometryen anglais)-MS. Cette cellule de mobilité ionique peut être prévue séparément du MS entre celui-ci et l’ioniseur LTP ou faire partie intégrante du MS.
Dans l’ensemble du présent exposé, il est fait référence à des espèces ionisées, comme du gaz ionisé ou des COV ionisés. Bien entendu, cela ne signifie pas nécessairement que toutes les molécules de l’espèce ionisée ont été ionisées par le plasma, mais qu’au moins une partie du gaz ou des COV ont été ionisés.
Le système peut comprendre en outre une alimentation4pour l’alimentation de l’ioniseur LTP2, notamment à une tension comprise entre 1 et 30 kV (de préférence 7 à 18 kV) et/ou à une fréquence comprise entre 0,8 et 30 kHz (de préférence 2 à 10 kHz). La combinaison des gammes préférées est particulièrement adaptée à une des nombreuses applications envisagées qu’est la détection du cancer du sein. L’alimentation peut être continue ou alternative. Dans le dernier cas, les combinaisons suivantes sont particulièrement intéressantes : (4 kV ; 24 kHz) à (6 kV ; 20 kHz) ; (5,5 kV ; 25 kHz) à (7 kV ; 21 kHz) ; (6,5 kV, 25 kHz) à (10 kV ; 23,5 kHz). L’ioniseur peut être configuré pour produire un plasma de manière continue ou par pulsation.
L’ioniseur LTP2peut être de deux types : un premier type à une unique électrode (figure 9) et un deuxième type à deux électrodes (figure 10). Dans les figures représentant le système, seul l’ioniseur LTP2à deux électrodes est représenté, mais celui-ci peut être remplacé par un ioniseur LTP2à unique électrode.
Quel que soit le type, l’ioniseur LTP2comprend typiquement un connecteur en T24avec deux bras coaxiaux241,242et un bras transverse243, une barrière diélectrique22connectée à l’un des deux bras coaxiaux, une électrode s’étendant à travers le connecteur en T24par les deux bras coaxiaux241,242et la barrière diélectrique22jusqu’à une position proche et en amont de la sortie28de plasma. L’électrode26peut être connectée à l’alimentation4en fonctionnement. L’électrode26peut être en cuivre. Préférablement, l’électrode26est un fil de métal par exemple de 1,5 mm de diamètre.
Le gaz inerte du LTP, pour lequel le bras transverse243du connecteur en T24sert d’entrée d’injection, peut être du diazote, de la vapeur d’eau ou un gaz rare. Dans le cas où le gaz inerte est un gaz rare, ce gaz rare peut être de l’argon, de l’hélium ou du néon. Un mélange de ces gaz mentionnés est également possible. L’ioniseur LTP2peut être configuré pour une injection de gaz inerte à un débit compris entre 50 et 1000 mL/min.
L’ioniseur LTP2à une électrode unique (figure 9) comprend typiquement en outre trois tubes21,22,23en verre reliés bout à bout : i.e. le deuxième tube22est relié par l’une de ses extrémités au premier tube21et par l’autre de ses extrémités au troisième tube23. Il comprend également un tube flexible25. Les deux bras coaxiaux241,242du connecteur en T24relient le premier tube21au deuxième tube22. Le tube flexible25relie entre eux le deuxième tube22et le troisième tube23. L’électrode26s’étend à l’intérieur des premier et deuxième tubes21,22, notamment de l’extrémité du premier tube21non-relié au deuxième tube22, jusqu’à l’extrémité du deuxième tube22reliée au troisième tube23sans dépasser le deuxième tube22. Le deuxième tube22forme la barrière diélectrique de décharge et le troisième tube23forme une extension capillaire.
L’ioniseur LTP2à deux électrodes (figure 10) comprend typiquement en outre un tube en verre22formant la barrière diélectrique et s’étendant à travers le connecteur en T24à partir du premier bras coaxial241de celui-ci et jusqu’à la sortie de plasma28formée par une extrémité du tube en verre22. La première électrode26s’étend à travers le tube en verre22jusqu’à la position en aval de la sortie de plasma28.L’ioniseur LTP2comprend une deuxième électrode29disposé autour du deuxième tube22de sorte à entourer également la première électrode26et à ne pas dépasser l’extrémité de celle-ci. Ainsi, la deuxième électrode29présente une forme annulaire. La deuxième électrode29est de préférence en cuivre et reliée à la masse pour servir d’électrode de référence.
Le présent exposé couvre également les ioniseurs LTP2présentant la même structure que l’ioniseur à unique électrode décrit ci-dessus mais avec deux électrodes, la deuxième électrode servant de référence ; ainsi que les ioniseurs LTP2présentant la même structure que l’ioniseur à deux électrodes décrit ci-dessus mais avec une seule électrode, la masse de l’alimentation servant de référence.
Deux modes de réalisation sont possibles. Ces deux modes diffèrent entre eux par le lieu de l’ionisation, qui peut être à l’endroit de la désorption des COV ou à distance de celle-ci. Les figures 1 à 3montrent des variantes dans lesquelles l’ionisation est réalisée à l’endroit ou à tout le moins à proximité de la désorption des COV et les figures 4 à 5 illustrent des variantes dans lesquelles l’ionisation est réalisée à distance de la désorption des COV.
Ainsi, les figures 1 à 3 présentent des systèmes dans lesquels le réceptacle1est disposé sous le flux de plasmaPde sorte à ce que le flux de plasmaPsoit dirigé vers la membraneMlorsque celle-ci est reçue dans le réceptacle1. Dans ce mode de réalisation, le réceptacle1et l’ioniseur LTP2sont agencés de sorte que la plume de plasmaPtouche ou affleure la surface supérieure de la membraneMlorsque celle-ci est positionnée sur le réceptacle1. Toujours dans ce mode de réalisation, un chauffage4(de préférence homogène) peut en outre être prévu dans le système pour le chauffage de la membraneMet ainsi aider à la désorption des COV. Typiquement, ce chauffage4est disposé en dessous du réceptacle1qui transmet la chaleur générée par le chauffage4à la membraneM. Le chauffage4est configuré pour permettre un chauffage entre 0 et 500°C (de préférence entre 0 et 400°C, notamment entre 200 et 300°C voire entre 225 et 275°C ; par exemple 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C) et d’aider à la désorption des COV.
Plus particulièrement, la figure 1 montre un système dans lequel le réceptacle1est agencé juste en dessous de l’ioniseur LTP2et à proximité de l’entrée31du MS3. Ainsi, le réceptacle1est agencé de manière à ce que la plume de plasmaPformée soit dirigée vers la membrane adsorbanteM. Par exemple, le réceptacle1peut être agencé de sorte qu’un bord frontalM1de la membrane adsorbanteMlorsque celle-ci est reçue par le réceptacle, soit située entre 0 et 20 mm de l’entrée31du MS. Alternativement ou en outre le réceptacle1et l’ioniseur LTP2peuvent être agencés de manière à ce que la sortie28de la plume de plasma et la surface de la membrane adsorbanteMquand celle-ci est en place, soient espacées de 0 à 20 mm. L’ioniseur LTP2peut également être agencé à rotation de sorte que l’angleαformé par la plume de plasmaPet la surface de la membrane adsorbante lorsque celle-ci est en place, soit compris entre 0 et 90°, de préférence entre 35 et 75° permettant ainsi de forcer le gaz en direction du MS. L’axe de rotation étant horizontal est perpendiculaire à l’axe de l’entrée31du MS ; l’angleαétant aigu lorsque l’ioniseur LTP2est écarté du MS3. Ainsi, dans cette variante du premier mode de réalisation, la plume de plasmaPgénérée par l’ioniseur LTP2a deux fonctions : celle de désorber les COV et celle de les ioniser.
La figure 2 montre un système similaire à celui la figure 1. La différence réside dans le réceptacle1comprenant une entrée11de gaz vecteur sur une surface inférieure de celui-ci. Ainsi, un gaz vecteur peut être injecté sous la surface inférieure de la membrane adsorbanteM. Le gaz vecteur peut être notamment un gaz inerte, par exemple le diazote, l’hélium, l’argon ou un mélange de ceux-ci. De préférence, la section de l’entrée11de gaz vecteur présente sensiblement la même dimension que la membraneM. Afin que la membraneMpuisse être supportée, une grille est prévue à l’entrée de gaz vecteur. La source de gaz est de préférence adaptée pour émettre un débit de gaz vecteur compris entre 0,5 et 7 L/min. La source de gaz peut être la même que celle du MS ; au-dessus de 7 L/min, il y a risque de perturber le plasma. Cette entrée de gaz vecteur peut être prolongée par un tube d’injection relié à une source de gaz vecteur. De préférence, le chauffage est prévu autour du tube d’injection.
La figure 3 montre un système dans lequel le réceptacle1est un récipient refermable de sorte à former un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie de gaz ainsi qu’une entrée de plasma. Le récipient1est donc clos et peut être rendu hermétique. Ainsi, le récipient comprend une entrée11de gaz vecteur pour l’arrivée d’un gaz vecteur à l’intérieur du récipient1, une entrée de plasma13, et une sortie12de gaz pour la sortie d’un gaz ionisé chargé de COV comprenant le gaz vecteur et potentiellement des COV ionisés. Le gaz vecteur peut être notamment un gaz inerte, par exemple le diazote, l’hélium, l’argon ou un mélange de ceux-ci.
Le récipient1peut présenter une géométrie cylindrique avec une surface inférieure de support et une surface supérieure parallèles entre elles et une surface latérale reliant les surfaces inférieure et supérieure.
Par ailleurs, l’entrée11de gaz peut être un tube d’injection connecté à son extrémité libre à une source de gaz inerte. L’axe du tube d’injection et la surface supérieure du récipient peuvent former un angleβcompris entre 30 et 75° voire entre 35 et 75° permettant de forcer le gaz vers la sortie12de gaz. Le diamètre intérieur du tube d’injection peut être compris entre 2 et 10 mm. La source de gaz est de préférence adaptée pour émettre un débit de gaz inerte compris entre 0,5 et 7 L/min. La source de gaz peut être la même que celle du MS ; au-dessus de 7 L/min, il y a risque de perturber le plasma
L’entrée de plasma13peut être un orifice réalisé sur la surface supérieure du récipient1. Alternativement, l’entrée du plasma13peut être un tube court s’étendant à partie de la surface supérieure du récipient1. Dans les deux cas, l’entrée de plasma13peut être reliée à l’orifice de sortie de plasma de l’ioniseur LTP. Cette liaison peut être directe avec l’orifice de sortie de plasma de l’ioniseurLTPau contact de l’entrée de plasma13, ou via un connecteur. (non représenté). Cette liaison peut être hermétique ou non-hermétique.
La sortie12peut être un tube guide pour le guidage du gaz ionisé vers l’entrée31du MS. Elle est de préférence réalisée sur une surface latérale du récipient1. L’axe du tube guide est de préférence horizontal et relie la sortie du récipient1et l’entrée31du MS. Le diamètre intérieur du tube guide peut être compris entre 2 et 12 mm. L’extrémité libre du tube guide peut être disposée à une distance comprise entre 0 et 100 mm de l’entrée du MS.
Le récipient1et l’ioniseur LTP3peuvent être agencés de manière à ce que la sortie de la plume de plasmaPet la surface de la membrane adsorbante quand celle-ci y est reçue, soient espacées de 0 à 50 mm. L’ioniseur LTP peut également être agencé à rotation de sorte que l’angle formé par la plume de plasma et la surface de la membrane adsorbante lorsque celle-ci est en place, soit compris entre 30 et 90°, de préférence entre 35 et 75° permettant ainsi de forcer le gaz en direction du MS. L’axe de rotation étant horizontal est perpendiculaire à l’axe de l’entrée du MS ; l’angle étant aigu lorsque l’ioniseur LTP est écarté du MS. Ainsi, dans cette variante du premier mode de réalisation, la plume de plasma générée par l’ioniseur LTP a deux fonctions : celle de désorber les COV et celle de les ioniser.
Comme indiqué plus haut, les figures 4 à 6 montrent des systèmes dans lesquels le réceptacle est disposé hors du flux de plasma. Un chauffage (de préférence homogène) peut être en outre prévu pour le chauffage du récipient, notamment entre 0 et 500°C et ainsi aider à la désorption des COV. De préférence la température de chauffe est comprise entre 0 et 400°C, notamment entre 200 et 300°C voire entre 225 et 275°C ; par exemple 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C) et d’aider à la désorption des COV.
Les figures 4 à 6 montrent des systèmes dans lesquels le réceptacle1est un récipient refermable de sorte à former un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie, et comprend une entrée11de gaz vecteur et une sortie12de gaz chargé en COV.
Dans ces variantes, le récipient1peut être un erlenmeyer (figures 4 et 5) doté d’un bouchon14, notamment en liège, avec deux alésages traversant réalisés dans le bouchon14. Les alésages permettent l’introduction deux tubes : un premier tube formant entrée11de gaz vecteur dont l’extrémité insérée dans le récipient est située à proximité du fond du récipient ; et un deuxième tube formant sortie12de gaz chargé en COV dont l’extrémité insérée dans le récipient est à une altitude plus élevée que l’extrémité du tube formant entrée de gaz vecteur. Chacun des premier et deuxième tubes peuvent présenter un diamètre intérieur compris entre 2 et 10 mm.
L’entrée11de gaz vecteur peut être connectée à une source de gaz vecteur. Le gaz vecteur est notamment un gaz inerte, par exemple le diazote, l’hélium, l’argon ou un mélange de ceux-ci. La source de gaz peut être configurée pour émettre un débit compris entre 0,5 et 7 L/min. La source de gaz peut être la même que celle du MS ; au-dessus de 7 L/min, il y a risque de perturber le plasma
Le chauffage4peut être disposé sous le réceptacle.
Plus particulièrement, la figure 4 montre un système qui comprend en outre un tube guide15. Dans ce système, la sortie12de gaz chargé en COV est prolongée par le tube guide15dont l’extrémité libre est à proximité du flux de plasmaP, et notamment de l’extrémité de la plume de plasma, lorsque celui-ci est émis de sorte à ce que le plasma ionise le gaz chargé à la sortie du tube guide15et avant son entrée dans le MS3. L’axe du tube guide15forme de préférence avec la verticale un angleγcompris entre 10 et 65°. La distance entre l’extrémité libre du tube guide15et l’entrée31du MS peut être comprise entre 2 et 50 mm. Le tube guide15peut présenter un diamètre intérieur compris entre 2 et 10 mm. Par ailleurs, le tube guide15et le deuxième tube formant sortie12de gaz chargé en COV peuvent être réalisés en une seule et unique pièce.
L’ioniseur LTP2peut également être agencé à rotation de sorte que l’angle formé par la plume de plasmaPet l’horizontal, soit compris entre 0 et 90°, de préférence entre 35 et 75° permettant ainsi de forcer le gaz en direction du MS. L’axe de rotation étant horizontal est perpendiculaire à l’axe de l’entrée31du MS ; l’angle étant aigu lorsque l’ioniseur LTP2est écarté du MS3. Dans ce cas, l’ioniseur LTP2et le MS3peuvent être agencés de sorte à ce que l’axe de la plume de plasmaPsoit coaxial avec l’entrée31du MS lorsque l’angle est égal à 0. Dans cette position avec un angle nul, la distance entre l’extrémité de la plume de plasma et l’entrée du MS peut être comprise entre 1 et 70 mm.
La figure 5 montre un système comprenant en outre un connecteur deux bras17. Un premier bras est relié à la sortie12du récipient1, par exemple à l’aide d’un flexible16.Un deuxième bras présente une extrémité dirigée vers l’entrée31du MS. Bien que non nécessaire, de préférence l’axe du deuxième bras est coaxial à l’entrée31du MS. Un orifice disposé entre le premier et deuxième bras sert à recevoir la plume de plasma. Cet orifice peut être remplacé par un troisième bras ; le connecteur était alors un connecteur trois bras.
Le connecteur trois bras17peut être un connecteur en T avec le premier bras et le deuxième bras coaxiaux suivant une même première direction et le troisième bras transverse par rapport aux bras coaxiaux et s’étendant suivant une deuxième direction différente de la première direction.
Le diamètre intérieur des premier et deuxième bras peut être compris entre 2 et 10 mm. La longueur entre les extrémités libres des premier et deuxième bras peut être comprise entre 2 et 20 cm. La distance entre l’entrée du MS et l’extrémité libre du bras qui lui fait face peut être comprise entre 0 et 70 mm. La longueur du flexible peut être comprise entre 2 et 200 cm.
Le troisième bras, ou l’orifice qui le remplace, peut être relié à l’orifice de sortie de plasma de l’ioniseur LTP. Cette liaison peut être directe avec l’orifice de sortie de plasma de l’ioniseurLTPau contact du troisième bras ou du bord de l’orifice qui le remplace, ou via un connecteur. (non représenté). Cette liaison peut être hermétique ou non-hermétique.
La figure 6 montre un système qui comprend en outre un tube d’injection18de gaz vecteur et un tube guide15. Le tube d’injection18de gaz vecteur s’étendant le long d’un axe d’injection de gaz et dont l’une des extrémités, l’extrémité de sortie, débouche dans le récipient clos1pour l’entrée11de celui-ci. Le récipient clos est configuré pour maintenir la membrane adsorbanteMdans une position où sa surface est perpendiculaire à l’axe d’injection de gaz, permettant ainsi au gaz vecteur de se charger en COV à sa traversée de la membrane ; par exemple en comprenant un support de membrane. Le tube guide15sert pour l’acheminement du gaz chargé de COV de la sortie12du récipient clos vers l’ioniseur LTP2et le MS3.
La longueur du tube d’injection18de gaz vecteur peut être comprise entre 5 et 100 cm. Le diamètre intérieur du tube d’injection de gaz vecteur peut être compris entre 2 et 10 mm.
Une source de gaz vecteur peut être prévue et reliée à l’extrémité libre du tube d’injection de gaz pour l’injection d’un gaz inerte. Le gaz inerte peut être du diazote, de la vapeur d’eau ou un gaz rare. Dans le cas où le gaz inerte est un gaz rare, ce gaz rare peut être de l’argon ou de l’hélium. Un mélange de ces gaz mentionnés est également possible. La source de gaz peut être configurée pour permettre un débit de gaz vecteur compris entre 0,05 et 7 L/min. La source de gaz peut être la même que celle du MS ; au-dessus de 7 L/min, il y a risque de perturber le plasma
Le tube d’injection18de gaz vecteur peut être doté d’une soupape181et/ou l’entrée11du récipient clos d’une vanne111. La soupape181permet d’éviter une trop forte pression à l’intérieur du tube d’injection18de gaz vecteur ; ce qui pourrait endommager la membrane adsorbante. La vanne111permet le contrôle du débit de gaz, notamment un contrôle plus fin que celui de la source de gaz inerte.
L’axe du tube guide15est de préférence coaxial avec l’axe de l’entrée31du MS. La longueur du tube guide peut être comprise entre 1 et 10 cm. Le diamètre intérieur du tube guide peut être compris entre 1 et 10 mm.
Le tube guide15peut être un connecteur trois bras avec deux bras formant le tube guide à proprement parlé (le premier bras étant en sortie du récipient1et le deuxième bras débouchant au voisinage de ou relié à l’entrée31du MS) et un troisième bras pour la plume de plasma générée par l’ioniseur LTP2afin de réaliser une ionisation en milieu confiné. Le connecteur trois bras peut être un connecteur en T avec les premier et deuxième bras coaxiaux formant le tube guide à proprement parler et le troisième bras transverse par rapport aux premier et deuxième bras Le connecteur trois bras peut être un connecteur en T avec le premier et deuxième bras coaxiaux et le troisième bras transverse par rapport aux premier et deuxième bras. Le troisième bras peut être relié à l’orifice de sortie de plasma de l’ioniseur LTP. Cette liaison peut être directe avec l’orifice de sortie de plasma de l’ioniseur LTP au contact du troisième bras ou via un connecteur. (non représenté). Cette liaison peut être hermétique ou non-hermétique. Tout comme la variante de la figure 5, le troisième bras peut être remplacé par un orifice simple.
Dans cette variante, le chauffage4peut être prévu autour du tube d’injection18pour le chauffage du gaz vecteur par exemple à l’aide d’un ruban de chauffage électrique enroulé autour du tube d’injection de gaz vecteur. Le ruban de chauffage électrique peut être par exemple serré sur le tube d’injection de gaz vecteur ou collé dessus.
Le récipient1clos peut comprendre en outre une entrée191d’échantillonnage pour l’entrée d’un gaz échantillon et le chargement de la membrane adsorbanteMen COV et une sortie192d’échantillonnage pour la sortie du gaz échantillon. Ainsi, il est possible à l’aide d’un seul élément d’effectuer à la fois la charge de la membrane en un échantillon gazeux comprenant éventuellement des COV et l’analyse sans nécessité de manipulation de la membrane adsorbante.
Par exemple, l’entrée191et la sortie192d’échantillonnage peuvent être positionnées de part et d’autre du support de membrane, dans la direction du flux de gaz vecteur. Deux versions peuvent être prévues :
- l’entrée191d’échantillon est en aval et la sortie192d’échantillon en amont par rapport à la direction du flux de gaz vecteur (membrane non passante aux COV) ;
- l’entrée191d’échantillon est en amont et la sortie192d’échantillon en aval par rapport à la direction du flux de gaz vecteur (membrane passante aux COV).
- l’entrée191d’échantillon est en aval et la sortie192d’échantillon en amont par rapport à la direction du flux de gaz vecteur (membrane non passante aux COV) ;
- l’entrée191d’échantillon est en amont et la sortie192d’échantillon en aval par rapport à la direction du flux de gaz vecteur (membrane passante aux COV).
Afin de simplifier le récipient, deux ports peuvent être prévus de part et d’autre du support de membrane et faisant office à la fois d’entrée et de sortie pour le gaz d’échantillon selon que le flux de gaz d’échantillon est dans le même sens que le flux de gaz vecteur, ou dans le sens contraire.
Le support de membrane9peut servir de magasin de membranes. Dans ce cas, le support de membrane9peut être adapté pour être inséré par coulissement dans un logement de réception de celui-ci. Aussi, il peut être configuré pour être mis en mouvement, par exemple rotatif et/ou translationnel, et comprendre une pluralité de logements91de membranes. Le support de membrane9peut être monté de sorte à placer un seul logement91, logement en analyse, entre l’entrée11et la sortie12du récipient clos1. De même, le support de membrane9peut être monté de sorte à placer un seul logement91, logement en charge, entre l’entrée d’échantillonnage191et la sortie192d’échantillonnage. Les logements91sont de préférence des orifices traversant dont la paroi latérale est un cylindre droit, de préférence à base circulaire. Le support de membrane9peut comprendre 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 logements, voire plus. Ces logements91sont préférentiellement régulièrement répartis sur le support de membrane9.
Par exemple, le support de membrane9peut être un barillet rotatif (figure 7) avec une pluralité de logements91de membranes distribués angulairement autour de l’axe de rotation du barillet qui est de préférence colinéaire au flux de gaz vecteur qui arrivent dans le récipient1. Ces logements91sont préférentiellement régulièrement répartis angulairement et leur centre sont placés sur un même cercle dont le centre est l’axe de rotation du barillet. Le barillet est par exemple un cylindre à base circulaire présentant les logements et étant plus large que haut. Le plan moyen du barillet passant au milieu de la hauteur de celui-ci est perpendiculaire au flux de gaz vecteur qui arrive dans le récipient1de sorte que de préférence son axe de rotation est perpendiculaire à son plan moyen.
Alternativement, le support de membrane9peut être une plaque translationnelle (figure 8) avec une pluralité de logements91de membranes. Le plan moyen (passant dans l’épaisseur) de la plaque translationnelle est perpendiculaire au flux de gaz vecteur qui arrive dans le récipient1. La plaque translationnelle est montée en translation permettant une translation dans son plan moyen suivant un unique axe ou deux axes perpendiculaires. Les logements sont préférentiellement régulièrement répartis sur la plaque translationnelle. L’exemple illustré sur la figure 8 est particulièrement adapté pour une mise en mouvement translationnel sur deux axes perpendiculaires. Une plaque translationnelle avec des logements91de membranes alignés sur une ligne est particulièrement adaptée pour une mise en mouvement translationnel suivant un unique axe.
Avantageusement, le support de membrane9est réalisé dans un matériau résistant à des hautes températures, jusqu’à 300°C notamment, par exemple de l’acier inoxydable. Le matériau est de préférence aussi résistant à de forte pression, notamment jusqu’à 7 bar.
Les connexions entre le support de membrane9et les éléments d’injection de gaz vecteur ou de charge et décharge d’échantillon sont avantageusement étanches aux gaz. Afin d’assurer cette étanchéité, un boitier peut être prévu dans lequel le support de membrane9est monté (notamment à rotation ou en translation). Les entrée et sortie de gaz et/ou les entrée et sortie d’échantillonnage sont réalisées dans ce boitier.
Le système peut comprendre une commande électronique configurée pour commander le déplacement du support de membrane9. La commande peut également commander le chargement en échantillon gazeux d’une membrane et/ou commander l’injection du gaz vecteur.
L’ioniseur LTP1peut également être agencé à rotation de sorte que l’angle formé par la plume de plasma et l’axe du tube guide, soit compris entre 30 et 90°, de préférence entre 35 et 75° permettant ainsi de forcer le gaz en direction du MS. L’axe de rotation étant horizontal est perpendiculaire à l’axe de l’entrée du MS ; l’angle étant aigu lorsque l’ioniseur LTP est écarté du MS.
Dans tous les cas décrits ci-dessus, la source des gaz vecteurs peut être celle du MS.
Le système peut être utilisé notamment avec des membranes adsorbantes en mode passant ou non. C’est-à-dire que lors de la désorption, les COV traversent la membrane adsorbante ou non.
Des simulations ont été réalisées pour déterminer la taille minimale des pores (rayon Rmin en ångström) d’une membrane adsorbante adéquate en fonction de la taille (poids M en dalton) de la molécule de COV sous forme gazeuse et assimilée à une sphère (voir figure 11). Le graphe de la figure 1 est obtenu à partir de calculs connus de la taille de composé sous forme de sphère :
Le tableau suivant donne quelques points du graphe de la figure 11.
| M (Da) | Rmin (Å) |
| 50 | 2,43 |
| 100 | 3,06 |
| 150 | 3,51 |
| 200 | 3,86 |
| 225 | 4,01 |
| 250 | 4,16 |
| 300 | 4,42 |
| 400 | 4,86 |
| 500 | 5,24 |
| 1000 | 6,60 |
| 5000 | 11,29 |
| 10000 | 14,22 |
| 20000 | 17,92 |
| 50000 | 24,31 |
Ainsi, afin de permettre une molécule de 400 Da, par exemple, de désorber de traverser la membrane, la taille des pores doit être au moins de 4,86 Å. Ainsi, la taille des pores des membranes adsorbantes détermine si celles-ci peuvent être utilisées en mode passant ou non.
Les membranes peuvent être de type à base de carbone, notamment des tamis moléculaires ou du noir de carbone graphitisé. Les membranes peuvent aussi être de type polymère poreux, notamment du polymère à base de divinylbenzène ou d’oxyde de phénylphénylène ou du polydiméthylsiloxane. Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques de quelques types de membranes :
| Type | Matériau | Surface massique (m²/g) |
Polarité |
| Carbone | Tamis moléculaire de carbone | 387-485 | Polaire |
| Noir de carbone graphitisé | 240-250 | Apolaire | |
| Polymère poreux | Divinylbenzène | 550 | Polaire |
| Oxyde de phénylphénylène | 20-35 | Bipolaire | |
| PDMS | 280-350 | Apolaire |
Un procédé d’analyse de COV adsorbés sur une membrane adsorbante et utilisant le système présenté ci-dessus, est décrit ci-après en référence aux figures 1 à 8.
Ce procédé comprend la fourniture d’une membrane adsorbante sur laquelle des COV ont été adsorbés, la désorption des COV adsorbés sur la membrane adsorbante, l’ionisation par plasma à basse température des COV désorbés formant ainsi un gaz ionisé, et l’analyse par spectromètrie de masse du gaz ionisé.
L’ionisation par LTP comprend typiquement l’injection d’un gaz inerte dans une barrière diélectrique de décharge dans laquelle le gaz inerte est chargé. Le gaz inerte peut être du diazote, de la vapeur d’eau ou un gaz rare. Dans le cas où le gaz inerte est un gaz rare, ce gaz rare peut être de l’argon, de l’hélium ou du néon. Un mélange de ces gaz mentionnés est également possible. L’injection peut être réalisée à un débit compris entre 50 et 1000 mL/min.
La décharge peut être réalisée à une tension comprise entre 1 et 30 kV et/ou à une fréquence comprise entre 0,8 et 30 kHz. La décharge peut être continue ou par pulsation.
Le procédé peut comprendre en outre une étape de chauffage de la membrane adsorbante, notamment à une température comprise entre 0 et 400°C.
Le procédé peut comprendre en outre l’adsorption des COV sur la membrane adsorbante.
L’adsorption peut comprendre la préconcentration des COV sur la membrane adsorbante. La préconcentration peut être réalisée par échantillonnage statique dans l’espace de tête (en anglais : static headspace sampling, SHS), échantillonnage dynamique dans l’espace de tête (en anglais : dynamic headspace sampling, DHS), ou microextraction en phase solide (en anglais : solid phase microextraction, SPME).
Lorsque la préconcentration est réalisée par échantillonnage statique dans l’espace de tête, elle peut être réalisée par aspiration (en anglais : aspiration dynamic headspace sampling, DHSa) ou par balayage gazeux (en anglais : sweep gaz dynamic headspace sampling, DHSs).
Alternativement, l’adsorption peut être réalisée par la mise en contact de la membrane adsorbante avant une source de potentielle de COV ; par exemple par la déposition de la membrane adsorbante directement sur la peau d’un patient, ou encore la direction du souffle d’un patient vers la membrane adsorbante, etc.
L’analyse peut comprendre la comparaison du ou des spectres obtenus avec une banque de données d’empreintes moléculaires. Chacune de ces empreintes moléculaires est un spectre de COV global correspondant à des situations données (classes), e.g. personne saine, cancer, type et sous-type de cancer, stade du cancer, etc. Les empreintes moléculaires de la banque de données avec leur classe sont utilisées pour construire des modèles de classification avec des outils d’analyses statistiques multivariés, par exemple des algorithmes de type machine à vecteur de support (en anglais :Support Vector Machine,SVM) ou allocation de Dirichlet latente (en anglais :Latent Dirichlet Allocation,LDA), voire par réseaux neuronaux tel le réseau neuronal convolutif (en anglais :Convolutional Neural Network, CNN).
Ainsi, le ou les spectres obtenus ne sont pas comparés à des spectres de COV isolés, mais c’est l’allure général du ou des spectres obtenus qui est comparé avec l’allure des empreintes moléculaires de la banque de données. Des exemples de telles comparaisons sont donnés plus loin. Alternativement, les spectres obtenus peuvent être comparés à des spectres de COV isolés.
Deux modes de mise en œuvre sont possibles. Dans un premier mode (correspondant aux systèmes des figures 1 à 3), l’ionisation est réalisée à proximité immédiate de la désorption, notamment par la formation d’un flux de plasma dirigé vers la membrane adsorbante. Dans un deuxième mode (correspondant aux systèmes des figures 4 à 6), l’ionisation est réalisée à distance de la désorption.
Dans le premier mode, l’ionisation peut être réalisée par la formation d’un flux de plasma dirigé vers la membrane adsorbante. Le flux de plasma peut être perpendiculaire à la surface supérieure de la membrane adsorbante ou incliné de sorte à ce que la pointe de la plume de plasma soit orientée en direction de l’entrée du MS en déplaçant le LPD en rotation par exemple. La pointe de la plume de plasma peut juste affleurer la surface supérieure de la membrane adsorbante ou la toucher.
Dans une première variante du premier mode (correspondant au système de la figure 1), l’ionisation peut être réalisée à une distance comprise entre 0 et 20 mm de l’entrée du MS. L’ionisation peut être réalisée avec un angle de la plume de plasma par rapport à la surface de la membrane adsorbante entre 0 et 90° ; l’angle étant aigu lorsque la plume de plasma a sa pointe dirigée vers le MS. Ainsi, la désorption et l’ionisation sont réalisées concomitamment par LTP.
Dans une sous-variante (correspondant au système de la figure 2), le procédé comprend en outre une injection de gaz vecteur perpendiculairement à la surface inférieure de la membrane adsorbante. Le gaz vecteur peut être notamment un gaz inerte, par exemple le diazote, l’hélium, l’argon ou un mélange de ceux-ci. Le débit du gaz vecteur peut être compris entre 0,5 et 7 L/min. De préférence, le gaz vecteur est injecté sur toute la surface inférieure de la membrane adsorbante. Le chauffage de la membrane adsorbante peut être réalisé par le chauffage du gaz vecteur avant qu’il n’arrive à la surface inférieure de la membrane adsorbante.
Dans une deuxième variante du premier mode (correspondant au système de la figure 3), la désorption et l’ionisation sont réalisées dans un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie de gaz ainsi que d’une entrée de plasma. La membrane adsorbante est disposée à l’intérieur du milieu confiné. Le procédé comprend alors également l’injection d’un gaz vecteur à l’intérieur du milieu confiné. L’angle d’injection du gaz vecteur par rapport à la surface de la membrane adsorbante peut être de 30 à 75°. L’injection du gaz vecteur peut être réalisée à un débit de 0,5 à 7 L/min. Le gaz vecteur peut être notamment un gaz inerte, par exemple le diazote, l’hélium, l’argon ou un mélange de ceux-ci. A l’intérieur du milieu confiné, le gaz vecteur se charge éventuellement en COV si des COV sont adsorbés sur la membrane adsorbante, et le gaz chargé en COV s’évacue vers la sortie de gaz vers le MS.
Le procédé peut comprendre la conduite du gaz vecteur vers l’entrée du MS de sorte à ce que la direction d’écoulement du gaz chargé soit coaxiale à l’entrée du MS.
La formation de la plume de plasma peut être réalisée de sorte à ce que l’axe de la plume de plasma et la surface de la membrane adsorbante lorsque celle-ci est en place, soit compris entre 30 et 90°.
Dans une première variante du deuxième mode (correspondant aux figures 4 et 5), la désorption est réalisée dans un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie de gaz. La membrane adsorbante est disposée dans le milieu confiné. Le procédé comprend alors l’injection d’un gaz vecteur à l’intérieur du milieu confiné. Ce gaz vecteur emporte les COV désorbés éventuellement présents sur la membrane adsorbante, formant ainsi un gaz chargé en COV qui sort du milieu confiné par la sortie.
Le gaz vecteur étant notamment un gaz inerte, par exemple le diazote ou un gaz rare tel que l’hélium et l’argon, ou un mélange de ceux-ci. L’injection du gaz vecteur peut être réalisée à un débit compris entre 0,5 et 7 L/min.
Le chauffage peut être réalisé par le chauffage du réceptacle.
Plus particulièrement, dans une première sous-variante (correspondant au système de la figure 4), le gaz chargé en COV est guidé jusqu’à proximité du flux de plasma, et notamment de l’extrémité de la plume de plasma, lorsque celui-ci est émis de sorte à ce que le plasma ionise le gaz chargé et juste avant son entrée dans le MS, par exemple entre 2 et 50 mm avant l’entrée du MS. Ainsi, l’ionisation se fait à l’air libre. De préférence, le guidage du gaz chargé en COV est réalisé avec un angle par rapport à la verticale compris entre 10 et 65°.
L’ionisation peut être réalisée de sorte que la plume de plasma forme avec l’horizontale un angle compris entre 0 et 90°. L’angle étant aigu quand la plume de plasma est dirigée vers le MS. Il est donc possible d’orienter la plume de plasma de sorte que celle soit coaxiale avec l’entrée du MS. Dans cette position avec un angle nul, la distance entre l’extrémité de la plume de plasma est l’entrée du MS peut être comprise entre 1 et 70 mm.
Dans une deuxième sous-variante (correspondant au système de la figure 5), le gaz chargé en COV est guidé jusqu’à proximité du flux de plasma et l’ionisation est réalisée dans un milieu confiné avant de sortir du lieu confiné vers l’entrée du MS.
Dans une deuxième variante (correspondant au système de la figure 6), l’injection du gaz vecteur est réalisée perpendiculairement à la surface de la membrane adsorbante et le guidage du gaz chargé en COV est réalisé coaxialement à l’injection du gaz vecteur. Le gaz vecteur est un gaz inerte par exemple du diazote, de la vapeur d’eau ou un gaz rare. Dans le cas où le gaz inerte est un gaz rare, ce gaz rare peut être de l’argon ou de l’hélium. Un mélange de ces gaz mentionnés est également possible. L’injection du gaz vecteur est réalisée avec un débit de gaz vecteur compris entre 0,5 et 7 L/min. L’ionisation du gaz chargé en COV est réalisée soit à l’air libre soit en milieu confiné.
Dans ce cas, le chauffage est réalisé par l’intermédiaire du chauffage du gaz vecteur lors de son injection.
Toujours dans cette variante, le procédé peut comprendre le chargement en échantillon gazeux de la membrane adsorbante lorsque celle-ci est déjà dans le récipient clos et avant l’injection de gaz vecteur, ce qui permet d’éviter une manipulation excessive de la membrane limitant ainsi les contaminations et les pertes de COV. Le chargement peut être réalisé à température ambiante ou à chaud. La température de chargement peut être notamment inférieure à la température de chauffage. Ceci est notamment avantageux pour les membranes adsorbantes utilisées en mode non passant bien que pouvant également être utilisé pour le mode passant. Alternativement, la membrane peut être déjà chargée en COV lorsqu’elle est disposée dans le récipient clos. Il n’y a alors pas lieu de réaliser un chargement en échantillon gazeux.
Par ailleurs, dans cette variante, il est possible de réaliser l’analyse de plusieurs échantillons en continu. Pour cela, le procédé comprend en outre le changement de la membrane adsorbante avant un nouveau chargement en échantillon gazeux de la nouvelle membrane adsorbante et une répétition des autres étapes du procédé. Alternativement, une pluralité de membranes déjà chargée en COV est disposée dans le récipient clos. Dans les deux cas, une seule membrane à la fois est présentée dans le flux de gaz vecteur.
D’autres particularités du procédé se déduisent directement des caractéristiques du système décrit ci-dessus dans ces multiples variantes. Par ailleurs, dans les modes de réalisation comportant l’injection d’un gaz vecteur, le chauffage de la membrane peut être réalisé par l’introduction de gaz vecteur chaud, notamment entre 23 et 100°C, par exemple environ 30°C.
Les applications de ce procédé sont particulièrement médicales. Ainsi, les procédés décrits ci-dessus peuvent faire partie d’un procédé d’aide au diagnostic. Auquel cas les COV proviennent d’un patient ou d’une patiente et ont été adsorbés sur la membrane adsorbante, par exemple par contact physique avec le patient ou par transfert gazeux (exhalation) pour les échantillons gazeux. Pour les fluides corporels (par exemple sueur, salive, urine), le fluide corporel est tout d’abord recueilli dans un récipient, notamment un tube. Il est ensuite transféré sur la membrane adsorbante notamment par l’une des techniques de préconcentration décrites ci-dessus (SHS ou DHS). Les échantillons solides peuvent être transférés sur une membrane adsorbante par microextraction en phase solide.
Un tel procédé d’aide au diagnostic comprend en outre des étapes du procédé d’analyse de COV, la détermination du statut médical du patient en fonction des résultats de la comparaison. Cette détermination n’est pas un diagnostic que seul le médecin est habilité à faire, mais donne une indication pour aider le médecin dans ses décisions. Ce procédé d’aide au diagnostic peut être avantageusement utilisé par exemple pour le cancer et notamment le cancer et notamment le cancer du sein.
Pour cela, le statut médical du patient fourni par le procédé peut comprendre une information concernant au moins l’un parmi le stade, le grade et le type de cancer dont est atteint le patient.
Conventionnellement, un diagnostic est réalisé pour connaitre le stade du cancer, c’est-à-dire son étendue. Pour cela, les médecins utilisent trois critères : i) la taille et l’infiltration de la tumeur, ii) l’atteinte ou non des ganglions lymphatiques et iii) la présente ou non de métastases. Ces critères font l’objet d’une classification dite « TNM » pour « tumeur, ganglions, métastases » («Tumor, Nodes, Metastasis» en anglais) de l’Union internationale contre le cancer (UICC) et du Comité conjoint américain sur le cancer (American Joint Committee on Cancer, AJCC, en anglais). T concerne la taille de la tumeur, N pour l’envahissement des ganglions et M les métastases à distance. Pour chacun de ces critères T, N ou M, une annotation est portée soit par lettre (« x » quand le critère ne peut être évalué, par exemple les renseignements obtenus sont insuffisants) ou par chiffres (de 1 à 4 pour T ; de 1 à 3 pour N ; et 0 s’il n’y a pas de métastase à distance ou 1 s’il y en a). Ces critères sont évalués lors d’un examen clinique pouvant être réalisé avant tout traitement pour connaitre le stade pré-thérapeutique (classification cTNM, c pour clinique) ou après une chirurgie pour connaitre le stade anatomopathologique (classification pTNM, p pour post-chirurgicale).
Ainsi, lorsque le statut médical du patient comprend une information sur le stade du cancer, cette information comprend une annotation sur au moins l’un des critères T, N et M, de préférence, sur les trois critères. Cette information indique alors statistiquement à quel stade correspond le spectre moléculaire obtenu.
Par ailleurs, concernant notamment le cancer du sein, tous ces cancers n’ont pas la même agressivité. Seule l’examen anatomopathologique permet de le déterminer. Pour cela, conventionnellement, le praticien observe minutieusement, d’abord à l’œil nu et ensuite au microscope des tissus prélevés sur le patient. Cet examen permet de définir le grade de la tumeur, c’est-à-dire son agressivité. Pour cela, trois critères sont évalués sur une échelle allant de 1 à 3 : i) l’architecture, 1 indiquant que la tumeur contient beaucoup de structures bien formées, 3 que la tumeur contient peu ou pas du tout de structures bien formées ; ii) le noyau, 1 indiquant que les noyaux de la tumeur sont petits et uniformes, 3 que les noyaux sont gros et leur taille et leur forme varient ; et iii) l’activité mitotique, 1 indiquant que les cellules de la tumeur se divisent lentement (faible nombre de mitoses), et 3 que les cellules se divisent rapidement (nombre de mitoses important). Les notes données à chacun de ces critères sont ensuite additionnées et un score global est obtenu. Ce score global est classé de I à III qui correspond au grade histopronostique d’Elston-Ellis. Si la somme des notes est 3, 4 ou 5, le grade est I (tumeurs les moins agressives) ; si la somme des notes est 8 ou 9, le grade est III (tumeurs les plus agressives) ; si la somme est 6 ou 7, le grade est II.
Ainsi, lorsque le statut médical du patient comprend une information sur le grade du cancer, cette information comprend une indication sur le grade I, II ou III du cancer ; en outre ou alternativement, le score global allant de 3 à 9. Cette information indique alors statistiquement à quel grade correspond le spectre moléculaire obtenu.
Le traitement optimal du cancer du sein dépend notamment du type et sous-type de cancer dont la patiente est atteinte. Le type concerne la région du sein atteinte alors que le sous-type concerne la mutation à l’origine de la tumeur. Par exemple, les types de cancer du sein sont : le carcinome canalairein situ(CCIS), le carcinome canalaire infiltrant (CCI), le carcinome lobulairein situ(CLIS), le carcinome lobulaire infiltrant (CLI), et le cancer inflammatoire du sein. Par exemples, les sous-types de cancer du sein sont : à récepteur hormonal positif (RH+, concernant les récepteurs aux estrogènes (ER+) et les récepteurs à la progestérone(PR+)), à HER2-positif (HER2+), triple négatif (ER–, PR– et HER2–), et BRCA. Il est possible d’avoir une combinaison de ces sous-types.
Ainsi, lorsque le statut médical du patient comprend une information sur le type du cancer, cette information comprend une indication sur le type (par exemple pour le cancer du sein : CCIS, CCI, CLIS, CLI ou inflammatoire) et/ou sur le sous-type (par exemple pour le cancer du sein : RH+/–, alternativement ER+/– et/ou PR+/– ; HER2+/– ; triple négatif, BRCA). Cette information indique alors statistiquement à quels type et/ou sous-type correspond le spectre moléculaire obtenu.
La figure 12 montre des exemples de spectres obtenus et fournissant la signature moléculaire des échantillons. Les spectres obtenus pour quatre échantillons issus de quatre personnes sont représentés sur cette figure, dont deux patientes atteintes de cancer du sein et deux personnes saines. Les échantillons sont obtenus par l’apposition d’une membrane adsorbante directement sur la poitrine de ces personnes. P1 est une patiente souffrant d’un cancer du sein en stade métastatique avec atteinte du sain droit et des os, son profil est RH+ et HER2–. P2 est une patiente souffrant d’un cancer du sein au stade précoce avec atteinte du sein gauche et des ganglions sous-jacents, son profil est RH+ et HER2–. S1 et S2 sont deux personnes saines, i.e. ne souffrant pas de cancer du sein. Les spectres S1 et S2 peuvent servir de contrôle.
Comme conventionnellement, l’abscisse représente le ratio masse sur charge (m/z) des fragments détectés. Les quatre spectres sont alignés les uns aux autres sur cet axe. Les chiffres présentés indiquent en haut le ratio m/z et en bas la hauteur du pic.
Il ressort clairement des quatre spectres que ceux relatifs aux patientes présentent un aspect général semblable et que ceux relatifs aux personnes saines présentent également un aspect général semblable. Par ailleurs, les spectres des patientes présentent un aspect différent de ceux des personnes saines. Notamment, les deux spectres des patientes comportent les pics suivants (m/z) : 83,04 ; 101,04 ; 237,09 ; 345,15. Le spectre de la patiente P1 présente par ailleurs un pic à 119,05, et celui de la patiente P2 un pic à 309,13. Ces pics ne sont pas présents sur les spectres des personnes saines.
Ainsi, ce n’est pas tant le pic correspondant à un composé particulier qui est intéressant mais bien l’aspect général du spectre obtenu.
Par ailleurs, deux spectres obtenus à partir de membranes adsorbantes disposées au contact de la peau d’une patiente sur, pour l’un, un sein atteint ou, pour l’autre, un sein sain, ne présentent pas un aspect identique.
En effet, la figure 13 présente deux spectres obtenus à partir de deux membranes adsorbantes disposées sur la peau d’une même patiente. B1 correspond au sein droit et B2 correspond au sein gauche. Le sein droit est le sein présentant une tumeur alors que le sein gauche ne présente pas de tumeur. Ces spectres sont presque identiques avec la différence notable que le spectre du sein droit comprend un pic à m/z = 195 alors que le spectre du sein gauche n’en comprend pas. Ainsi, en plus de permettre la détection de personne malade, il est possible également de connaitre l’organe atteint.
Cependant d’autres applications peuvent être envisagées telle l’analyse olfactive des boissons (bière et vin) ou autres produits alimentaires ou encore l’analyse d’hydrocarbures.
Claims (15)
- Système d’analyse de COV adsorbés sur une membrane adsorbante (M) par LTP-MS, comprenant :
- un réceptacle (1) pour la réception de la membrane adsorbante ;
- un ioniseur (2) par plasma à basse température et adapté pour émettre un flux de plasma (P) suivant une direction d’émission de plasma ionisant ainsi les COV adsorbés par la membrane et formant un gaz ionisé chargé en COV ; et
- un spectromètre de masse (3) pour analyser les COV ionisés. - Système selon la revendication 1, comprenant en outre un chauffage (4) pour le chauffage de la membrane adsorbante.
- Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le réceptacle est disposé hors du flux de plasma et dans lequel :
- le réceptacle est un récipient refermable de sorte à former un milieu confiné à l’exception d’une entrée et d’une sortie ;
- le récipient comprend une entrée (11) de gaz vecteur pour l’arrivée d’un gaz vecteur à l’intérieur du récipient et une sortie (12) de gaz pour la sortie d’un gaz chargé potentiellement en COV. - Système selon la revendication 3, comprenant en outre :
- un tube d’injection (18) de gaz vecteur s’étendant le long d’un axe d’injection de gaz et dont l’une des extrémités, l’extrémité de sortie, débouche dans le récipient clos, le récipient clos étant configuré pour maintenir la membrane adsorbante de sorte que sa surface soit perpendiculaire à l’axe d’injection de gaz, permettant ainsi au gaz vecteur de se charger en COV à sa traversée de la membrane ; et
- un tube guide (15) pour l’acheminement du gaz vecteur chargé de COV vers l’ioniseur. - Système selon la revendication 4, dans lequel le récipient clos comprend un support de membrane pour le support d’une membrane, une entrée (191, 192) d’échantillonnage pour l’entrée d’un gaz échantillon et le chargement de la membrane en COV, une sortie (192, 191) d’échantillonnage pour la sortie du gaz échantillon, une entrée de gaz vecteur.
- Système selon la revendication 7, dans lequel le support de membrane est un magasin (9) de membranes configuré pour être mise en mouvement rotatif et/ou translationnel et comprend une pluralité de logements de membranes (91), le magasin de membranes étant monté de sorte à placer un seul logement, logement en analyse, en face de l’extrémité de sortie du tube d’injection et de l’extrémité d’entrée du tube guide.
- Système selon la revendication 3, comprenant en outre un tube guide (15) et dans lequel :
- la sortie du récipient est prolongée par le tube guide dont l’extrémité libre est à proximité du flux de plasma lorsque celui-ci est émis de sorte à ce que le plasma ionise le gaz chargé à la sortie du tube. - Système selon la revendication 3, comprenant en outre un connecteur (17) avec au moins deux bras, et dans lequel :
- un premier bras est relié à la sortie du récipient ;
- un deuxième bras présente une extrémité dirigée vers l’entrée du spectromètre de masse ;
- l’ioniseur est configuré pour que le flux de plasma soit dirigé vers un orifice entre le premier et le deuxième bras ou un troisième bras en opération. - Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le réceptacle est disposé sous le flux de plasma de sorte à ce que le flux de plasma soit dirigé vers la membrane lorsque celle-ci est reçue dans le réceptacle.
- Système selon la revendication 9, dans lequel :
- le réceptacle est un récipient refermable de sorte à former un milieu confiné à l’exception d’entrées et d’une sortie ;
- le récipient comprend une entrée (11) de gaz vecteur pour l’arrivée d’un gaz vecteur à l’intérieur du récipient, une sortie (12) de gaz pour la sortie du gaz ionisé et une entrée (13) de plasma ;
- la sortie est prolongée d’un tube guide (15) pour le guidage du gaz ionisé vers l’entrée du spectromètre de masse. - Système selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel l’ioniseur est un ioniseur à électrode unique ou à deux électrodes.
- Procédé d’analyse de COV adsorbés sur une membrane adsorbante par LTP-MS, comprenant :
- la fourniture d’une membrane adsorbante sur laquelle des COV ont été adsorbés ;
- la désorption des COV adsorbés sur la membrane adsorbante ;
- l’ionisation par plasma à basse température des COV désorbés formant ainsi un gaz ionisé ; et
- l’analyse par spectromètrie de masse du gaz ionisé. - Procédé selon la revendication 12, dans lequel l’analyse comprend la comparaison de spectres obtenus avec une banque de données d’empreintes moléculaires.
- Procédé d’aide au diagnostic, notamment du cancer du sein, comprenant le procédé selon la revendication 13, dans lequel des COV provenant du patient ont été adsorbés sur la membrane adsorbante, le procédé comprenant en outre la détermination du statut médical du patient en fonction des résultats de la comparaison.
- Procédé selon la revendication 14, dans lequel le statut médical du patient comprend une information concernant au moins l’un parmi le stade, le grade et le type de cancer du sein.
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