Qu’est-ce que la spectrométrie de masse ?

Aperçu de la spectrométrie de masse

La spectrométrie de masse est un outil important servant à identifier des composés ou des matières spécifiques avec un haut degré de précision. Les applications de cette technique sont nombreuses en partant de la qualité et la sécurité alimentaire jusqu’à la datation au carbone.

Dans les termes les plus simples, la spectrométrie de masse est une technique sensible utilisée pour détecter, identifier et quantifier des molécules en se fondant sur le rapport masse sur charge (m/z) de la molécule.

Tous les spectromètres de masse ont trois composants : une source d’ionisation, un analyseur de masse et un détecteur d’ions. Les échantillons sont chargés dans le spectromètre de masse sous forme soit liquide, gazeuse ou séchée, puis vaporisés et ionisés par la source d’ionisation. Ces composants varient dans chaque type de spectromètre de masse qui offre un éventail d'options varié pour tester différentes propriétés physiques et collecter des données.

Nous aborderons les fondamentaux de la spectrométrie de masse, en nous concentrant sur l’histoire, la technique et les nombreuses applications d’utilisation.

Introduction à la spectrométrie de masse des protéines

Développée à l’origine il y a 100 ans, la spectrométrie de masse était utilisée à l’origine pour mesurer les masses atomiques d’éléments et l'abondance naturelle d’isotopes spécifiques. La spectrométrie de masse a été utilisée d'abord dans les sciences biologiques afin de tracer des isotopes lourds dans des systèmes biologiques.

Le physicien allemand Wilhelm Wien a posé les fondements de la spectroscopie de masse en 1998 en découvrant que des particules chargées pouvaient être déviées par un champ magnétique. Ceci a été appliqué ultérieurement par J.J. Thomson lors de la création du spectrographe à parabole (la première version d'un spectromètre de masse).
Ces dernières années, la spectrométrie de masse a été utilisée pour séquencer des oligonucléotides et des peptides, ainsi que dans l’analyse structurale des nucléotides.
De nos jours, l’équipement de la spectrométrie de masse est intégré à des systèmes informatiques afin de générer des données. Un spectre de masse est le graphique obtenu en réalisant une spectrométrie de masse qui détaille la relation entre le rapport masse sur charge et le signal d’ions.

Le développement de méthodes d’ionisation des macromolécules, telles que l’ionisation par électrospray (électronébulisation - ESI) et l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI), a été énorme dans l’étude de la structure des protéines par spectrométrie de masse.

Fonctionnement de la spectrométrie de masse

Le fonctionnement sous-jacent de la spectrométrie de masse réside dans la deuxième loi du mouvement de Newton. La spectrométrie de masse trace des ions de masses variables sur un spectre de masse en utilisant cette propriété de la matière.

Selon la loi, nous pouvons déduire la quantité de masse pertinente pour l’inertie et l'accélération d'un composé. Les ions dont les rapports masse sur charge sont différents sont ainsi déviés selon des angles différents dans un champ électrique ou magnétique.

L’histoire des flux de travail en protéomique

La spectrométrie de masse a été d'une utilité incroyable en protéomique, l’étude de toutes les protéines d’un système biologique (par ex. cellules, tissus, organismes) lors d’événements biologiques spécifiques. La spectrométrie de masse offre en effet des données sur les quantités, les fonctions, le repliement et les interactions des protéines.

La protéomique est un domaine d’étude présentant des défis, car la nature dynamique de l’expression des protéines est si complexe. De plus, la majorité des protéines subissent une certaine forme de modification post-traductionnelle (PTM) portant à des défis supplémentaires dans les études en génomique et protéomique.

Au cours des 15 dernières années, la spectrométrie de masse a joué un rôle crucial dans l'avancée de la protéomique.

Aperçu technique de la spectrométrie de masse

Lorsque les molécules reçoivent une charge, le spectromètre de masse permet aux ions d’accélérer dans l’ensemble du système du spectromètre de masse. Les ions rencontrent des champs soit électriques soit magnétiques (ou une combinaison des deux) via les analyseurs de masse. Les trajectoires des ions individuels sont ensuite déviées en fonction de leur m/z spécifique.

Les analyseurs de masse comprennent :

  • Temps de vol (TOF)
  • Orbitraps
  • Quadripôles et pièges à ions

Chacun d'eux a ses propres caractéristiques respectives. Les analyseurs de masse peuvent être utilisés de deux manières : pour séparer tous les analytes pour l’analyse ou pour être utilisés comme un filtre déviant uniquement des ions spécifiques vers le détecteur.

Les ions une fois déviés avec succès via les analyseurs de masse entrent en contact avec le détecteur d’ions. Le détecteur émet une cascade d’électrons quand chaque ion frappe la plaque du détecteur, ce qui entraîne une amplification de chaque frappe. Ceci améliorera la sensibilité de détection.

Ces processus sont exécutés sous un vide poussé (10-6 à 10-8 torr) qui retire les contaminants des molécules de gaz ainsi que des ions neutres et non échantillonnés. Le retrait des contaminants vous permet d'atténuer le risque de collision de ces molécules avec les ions échantillonnés qui peuvent modifier leurs trajectoires et produire des produits de réaction non spécifiques.

Les spectromètres de masse sont connectés à un logiciel informatique qui mesure l’oscillation et les fréquences des ions. Ceci est effectué en utilisant la détection d'un courant image. Le programme détecte des ions et les organise selon leurs valeurs m/z et leur abondance relative.

Ces ions peuvent ensuite être mis en correspondance et identifiés en fonction de leur valeur m/z à l'aide de bases de données établies.

Les quatre parties principales de la spectrométrie de masse

Le système d'introduction

La mise en œuvre du système d'introduction a été l’une des plus grandes avancées de la technologie de spectrométrie de masse. En 1960, A. James et A. Martin ont pour la première fois fait s’interfacer la chromatographie en phase gazeuse (GC) à un spectromètre de masse. Ceci a été réalisé en utilisant l’injection d’une colonne pleine.

Ceci a ensuite été amélioré par le scientifique médical suédois, Einar Stenhagen, lorsqu’il a breveté une colonne pleine à haut débit avec un séparateur de jet et une colonne capillaire à grand débit (530-750 µm) qui était connectée à la chambre à vide du spectromètre de masse. Cette avancée a changé le débit de l’échantillon dans la chambre d’ionisation. Ce développement a posé le fondement de la MS comme un outil efficace de la chimie analytique.

L'ionisation

Lors du traitement d'un échantillon par spectrométrie de masse, l’échantillon est bombardé d’électrons. Ces électrons se déplacent entre la cathode et l'anode. Pendant que l’échantillon traverse le flux d’électrons, les électrons à haute énergie éliminent les électrons de l’échantillon et forment des ions.

Le déflecteur

La déviation a lieu lorsque les ions interagissent avec un champ magnétique. Le champ dévie les ions en fonction de leur charge et de leur masse. Si un ion est lourd ou il a au moins deux charges positives, il est le moins dévié. Alors qu’un ion léger ou qui n'a qu’une seule charge positive sera dévié davantage.

Le détecteur d’ions

Le détecteur d’ions joue un rôle clé dans le processus d'analyse. Les ions ayant une bonne charge et masse se déplaceront vers le détecteur où le rapport masse sur charge est analysé.

Applications de la spectrométrie de masse des protéines

Les applications de la spectrométrie de masse sont nombreuses, incluant des utilisations tant qualitatives que quantitatives. La spectrométrie de masse est plus couramment utilisée dans des laboratoires analytiques pour étudier les propriétés physiques, chimiques ou biologiques de composés.

Applications supplémentaires de la spectrométrie de masse :

  • Identifier des composés inconnus
  • Déterminer la composition isotope d’éléments dans une molécule.
  • Déterminer la structure d’un composé en se basant sur la fragmentation
  • Quantifier la quantité d'un composé dans un échantillon
  • Comprendre les principes de base de la chimie des ions en phase gazeuse

Ceci fait de la spectrométrie de masse un outil idéal dans la découverte de médicaments, les essais cliniques, la génomique, la géologie et les études environnementales des aliments et du sol. L’une des utilisations les plus populaires de la spectrométrie de masse est la datation au carbone utilisée en géologie et dans d'autres domaines pertinents.

Le contrôle de la qualité par le spectromètre de masse

La détection des ions est essentielle pour la science, car elle fournit une méthodologie précise permettant de comprendre la composition d'un échantillon déterminé et pouvant être appliquée directement à la santé publique et à la sécurité.

De nombreuses entreprises établiront des protocoles de tests tout au long du développement des produits et du processus de fabrication pour respecter les normes de qualité. En avoir connaissance tout au long de chaque phase de production nécessaire peut aider à déterminer des problèmes de contamination, des erreurs en chimie des procédés ou d'autres anomalies pouvant présenter un risque pour les consommateurs.

Certains contaminants présents dans les produits biopharmaceutiques pourraient déclencher des réponses immunogènes chez des patients, ce qui rend essentielles la détection et l’élimination de tout adultérant présent dans un produit.

La chromatographie liquide S (LC-MS) peut détecter des peptides avec une sensibilité incroyable (au niveau atomique), en promettant une formulation précise des produits, une surveillance de la stabilité et une identification des impuretés.

Ce niveau de précision est souvent mis au crédit du western blotting de techniques comme ELISA, qui nécessite une technique de traitement par les anticorps. Toutefois, en l'absence d’un anticorps compatible, la spectrométrie de masse peut procurer des résultats d'une haute précision sans utiliser de réactifs anticorps.

Conclusion :
La spectrométrie de masse est une technique d'analyse optimale pour d'innombrables applications, couvrant plusieurs domaines de la science. Avantor offre des connaissances d’expert sur la technologie derrière la spectrométrie de masse pour répondre à tous les besoins de votre laboratoire et de votre fabrication.