Principes
La destinée première et toujours actuelle d'un spectromètre de masse a été de “peser“ les atomes et les molécules. Non pas peser les moles et leurs évaluations en atome-gramme (c'est-à-dire rendu mesurable au laboratoire avec “la loupe“ du nombre d'Avogadro !) mais bien la molécule isolée constituée d'un certain nombre d'atomes. C'était un vaste défi...
Les atomes ou molécules sont à l'état solide ou liquide fortement associés les un(e)s aux autres et il est déraisonnable de penser en isoler un(e) du reste, et de la peser sur une balance traditionnelle ! Seul l'état gazeux offre des possibilités d'isolement des molécules les unes des autres, et encore à condition d'effectuer les mesures dans un vide assez poussé afin d'éviter les regroupements ou les interactions de molécules entre elles. C'est là une des premières contraintes techniques fortes de la spectrométrie de masse : isoler une molécule nécessite tôt ou tard le passage à l'état gazeux sous basse pression.
La seconde nécessité est de “contrôler“ la molécule ou l'atome ainsi isolé. En effet, à l'état gazeux et à basse pression, les molécules sont indociles et ont un parcours aléatoire de type Brownien. On ne peut rien leur faire-faire... Les ions sont beaucoup plus maîtrisables puisqu'ils obéissent aux lois de l'électromagnétisme. La spectrométrie de masse traite donc de molécule ou d'atomes ionisés.
L'explosion des techniques (toujours d'actualité) de spectrométrie de masse résulte de la multiplication des choix technologiques permettant de répondre à ces deux contraintes : un état vaporisé à basse pression et l'ionisation des molécules. Il est évident que l'introduction des composés à l'état gazeux est idéale mais on sait aujourd'hui traiter des composés solides, peu polaires, des composés isolés de mélange complexe et véhiculés par des chromatographies gazeuses (GCMS) ou liquide, ou des électrophorèses capillaires. Ces aspects ne seront pas développés ici.
Appareillage
Nous décrirons un spectromètre de masse classique au sens historique (secteur magnétique) dans la mesure où avec l'évolution des techniques d'introduction et d'ionisation, un grand nombre de nouvelles techniques se sont développées. Elles permettent de séparer les ions et ainsi de les compter et de les “peser“. En effet, la molécule ionisée doit être différenciée des molécules de masse différentes et associée à toutes les molécules identiques. Nous sommes alors dans la troisième performance attendue d'un spectromètre de masse : l'analyse des ions. Construisons un spectromètre classique :
Dans un premier temps, il faut introduire les molécules à analyser et les ioniser : c'est la chambre d'ionisation. Dans cet exemple simplifié, le composé est à l'état gazeux et à basse pression, maintenu par un vide dynamique (des pompes sont en action en continue et maintiennent l'ensemble du spectromètre à une très basse pression . Le principe d' ionisation le plus ancien, toujours utilisé en routine et de mise en œuvre aisée, est l'impact électronique ; comme nous l'avons vu dans le chapitre d'introduction des électrons accélérer par une ddp de v volts ont une énergie de v eV. Ces électrons rencontre les molécules, les atomes et leurs électrons qu'ils arrachent lors d'un impact, selon :
\(\textrm M + \textrm e^- \to \textrm M^{+\bullet} + 2\textrm e^-\)