Electrospray- Spectromètre de masse

L’électrospray est un processus d’ionisation qui se produit en phase liquide et à pression atmosphérique. Son principe est le suivant :
 

Les substances sont dissoutes dans une solution hydroalcoolique ou eau-acétonitrile dans laquelle sont habituellement ajoutés des composés qui augmentent la conductivité (par exemple : 0,1 % en acide acétique ou trifluoracétique ou de 2 à 50 mM d’acétate d’ammonium). Cette solution est introduite dans un fin capillaire d’acier inoxydable (50µm de diamètre) porté à un potentiel élevé (entre 3 et 5 kV). Sous l’action conjugée du champ électrique et d'un courant gazeux co-axial (azote ou anhydride carbonique), la solution forme un cône dynamique à l'extrémité du capillaire, appelé « cône de Taylor ». Lorsque la charge de la solution qui forme le cône de Taylor s’approche de la limite de Rayleigh*, celui-ci s’allonge formant alors un filament liquide. Il finit par se détacher et se disperse sous forme de gouttelettes d’un diamètre nominal de 1-2 μm.
 

La solution est donc transformée en un nuage de fines gouttelettes (nébulisat) chargées.

 


 

Sous l'effet d'un second courant d'air chauffé, le solvant des gouttelettes s'évapore progressivement jusqu'à ce que  les goutellettes deviennent instables au moment d'atteindre à nouveau leur limite de stabilité de Rayleigh*. A ce moment, les gouttelettes se déforment et émettent des jets chargés selon un processus connu sous le nom de fission de Coulomb. Pendant la fission, les gouttelettes perdent un petit pourcentage de leur masse (1.0-2.3%) avec un pourcentage relativement grand de leur charge (10-18%). Leur densité de charge devenant trop importante, les gouttelettes explosent en libérant des nanogouttelettes chargées (~100 nm) constituées de molécules protonées ou déprotonées, porteuses d'un nombre de charges variable.


Par des processus de désolvatation et de fission de Rayleigh consécutifs les ions présents dans ces nanogouttelettes sont transformés en ions dans la phase gazeuse. Le phénomène s’arrête lorsque l’on n’a plus qu’une seule molécule présentant une ou plusieurs charges, car l’énergie correspondant à la répulsion coulombienne ne permet pas de rompre les liaisons covalentes.

 

Durant ce parcours à pression élevée, les ions subissent de multiples collisions avec les molécules de gaz et de solvant, ce qui complète leur désolvatation. En faisant varier les potentiels électriques appliqués dans la source il est possible de provoquer des fragmentations plus ou moins importantes. L'avantage de cette méthode d'ionisation est l'obtention d'ions multichargés, pour les macromolécules ou les polymères. Elle permet d'autre part de générer une ionisation "douce" : des ions moléculaires sont formés en majorité.


Certains constructeurs utilisent un capillaire de transfert chauffé entre l’orifice et l’analyseur, de façon à optimiser la désolvatation. D’autres proposent, pour des débits supérieurs à quelques dizaines de microlitres par minute, d’ajouter un courant d’azote chaud, traversant le nébulisat et dirigé vers le capillaire, afin d’améliorer à la fois la sensibilité et le rapport signal / bruit.

 

Les ions ainsi formés sont ensuite guidés à l'aide de potentiels électriques appliqués sur deux cônes d'échantillonnage successifs (skimmers) faisant office de barrières avec les parties en aval maintenues sous un vide poussé (<10-5 mBars). Là les ions sont séparés en fonction de leur rapport m/z.


Les ions observés par spectrométrie de masse peuvent être les ions quasimoléculaires créés par l'addition d'un cation hydrogène et notés [M + H]+, ou d'un autre cation telle que l'ion sodium, [M + Na]+, ou le déplacement d'un noyau d'hydrogène, [M − H]. Des ions à charges multiples tels que [M + NH]n+ sont souvent observés. Pour de grandes macromolécules, il peut y avoir beaucoup d'états de charge, ceci ayant pour résultat une enveloppe caractéristique d'état de charge. Des électrons seuls ne sont pas ajoutés ou enlevés, à la différence d’autres sources d'ionisation. Les analytes sont parfois impliqués dans des processus électrochimiques, menant aux décalages des crêtes correspondantes dans le spectre de masse.

 

*La limite de Rayleigh est le point où les répulsions coulombiennes entre les charges égalent les forces cohésives de la tension de surface du liquide. Le champ électrique intense confère aux gouttelettes une densité de charge importante.

Loi de Rayleigh
Loi de Rayleigh :
où q est la charge à la limite de Rayleigh,
r son rayon,
γ sa tension de surface
et ε0 la constante de permittivité du vide.