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PLATEFORME DANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD) Pr. Enjalbal [email protected] 04 67 14 38 19 A quoi sert … la Spectrométrie de Masse Haute Résolution couplée à la Mobilité Ionique?

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Page 1: (P.A.C. BALARD · L’analyse élémentaire organique (C, H, N, S, O) Magalie Lefeuvre, LMP, Université de Montpellier 2 Principes généraux de la spectrométrie de masse haute

PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Pr. Enjalbal [email protected]

04 67 14 38 19

A quoi sert … la Spectrométrie de Masse Haute Résolution couplée à la Mobilité Ionique?

Page 2: (P.A.C. BALARD · L’analyse élémentaire organique (C, H, N, S, O) Magalie Lefeuvre, LMP, Université de Montpellier 2 Principes généraux de la spectrométrie de masse haute

PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Programme

Nacelles ‘spectrométrie de masse’ et ‘analyse élémentaire’ dans la PAC Chimie Balard: des outils de détermination de formules brutes de composés organiques Pr Christine Enjalbal, IBMM, Co-responsable de la PAC Chimie Balard

L’analyse élémentaire organique (C, H, N, S, O) Magalie Lefeuvre, LMP, Université de Montpellier 2

Principes généraux de la spectrométrie de masse haute résolution (HR-MS) et de la mobilité ionique (IM-MS) Gilles Valette, LMP, Université Montpellier 2

L’apport du Synapt G2-S pour la caractérisation structurale. Guillaume Cazals, LMP, Université Montpellier 2

Question-Réponses

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

10- Analyses élémentaires/mesures chiroptiques

11- Spectrométrie de masse 12- Nanoséparation et analyses

2

PAC 12 nacelles

1

3 4 5

6

8 9

10

11

12

7

détermination de formules brutes de composés organiques

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Nacelles 10, 11 et 12

Localisation:

Université Montpellier 2,

Bâtiment 17, Rez-de-chaussée

Laboratoire de Mesures Physiques

Service commun de recherche UM2

http://www.univ-montp2.fr/recherche-menu-principal/services-communs-de-la-recherche/lmp

Plateau technique Institut des Biomolécules Max Mousseron http://www.ibmm.univ-montp1.fr/?-presentation,195-

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Composés organiques

Echantillons de synthèse ou extraits naturels

Poids moléculaires faibles à élevés (petites molécules / Biomolécules)

Identification

Formule brute (composition élémentaire de type CHNO)

Formule semi-développée (informations structurales/connectivité)

Structure tridimentionnelle (configuration absolue des centres de chiralité)

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Outils analytiques usuels

RMN liquide: Formule semi-développée / Etudes structurales

Spectrométrie de masse: Mesure de la masse moléculaire

Analyse élémentaire: Mesure de la quantité d’éléments non métalliques

Rayon X: Configuration absolue des centres stéréogéniques

Conditionnement de l’échantillon

Liquide: RMN et spectrométrie de masse

solubilité dans solvants organiques /eau

Solide : Analyse élémentaire et RX

poudre amorphe ou cristal

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Détermination de formule brute (CxHyNzOWX)

RMN liquide: Formule semi-développée / Etudes structurales

Spectrométrie de masse: Mesure de la masse moléculaire

Analyse élémentaire: Mesure de la quantité d’éléments non métalliques

Rayon X: Configuration absolue des centres stéréogéniques

Objectifs

Contrôle qualité de produits de synthèse

Confirmation de structure (molécule attendue)

Confirmation de pureté (molécule unique )

Aide à l’identification de structures inconnues

Impureté/sous-produit de synthèse, produits naturels, …

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Réponses apportées par la Spectrométrie de masse

Détermination de la masse moléculaire (g/mol):

Mesure de la valeur m/z (masse/nombre de charge de l’ion détecté)

Précision de mesure : basse résolution / haute résolution (HR-MS)

Détermination de la composition élémentaire:

Petites molécules (< 500 g/mol , délicat au-delà)

Mesure haute résolution (HR-MS) impérative

Confirmation de formule brute (molécule attendue )

!! Pas d’information sur la pureté de l’échantillon !!

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Réponses apportées par l’Analyse élémentaire

Mesure de la quantité massique des éléments C, H, N, S, O

CxHyNzOWX : Adéquation entre valeurs mesurées et théoriques

CxHyNzOWX : Inadéquation entre valeurs mesurées et théoriques

Confirmation de formule brute et de la pureté de l’échantillon (molécule attendue et pureté validée)

Formule brute non valide (molécule différente de celle attendue) OU

Echantillon contaminé (pureté non validée)

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Programme

Nacelles ‘spectrométrie de masse’ et ‘analyse élémentaire’ dans la PAC Chimie Balard: des outils de détermination de formules brutes de composés organiques Pr Christine Enjalbal, IBMM, Co-responsable de la PAC Chimie Balard

L’analyse élémentaire organique (C, H, N, S, O) Magalie Lefeuvre, LMP, Université de Montpellier 2

Principes généraux de la spectrométrie de masse haute résolution (HR-MS) et de la mobilité ionique (IM-MS) Gilles Valette, LMP, Université Montpellier 2

L’apport du Synapt G2-S pour la caractérisation structurale. Guillaume Cazals, LMP, Université Montpellier 2

Question-Réponses

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Magalie LEFEUVRE [email protected]

04 67 14 49 47

Les rencontres 2014

A quoi sert… L’Analyse élémentaire

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Nacelle 10 Analyses élémentaires et Mesures chiroptiques

Laboratoire de Mesures Physiques Institut des Biomolécules Max Mousseron

Localisation: Université Montpellier 2

Bâtiment 17, Rez de chaussée CC0010

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

L’analyse élémentaire est une technique qui permet de déterminer le pourcentage en masse du Carbone, de l’Hydrogène, de l’Azote, du Soufre et de l’Oxygène dans les composés organiques.

A quoi sert l’analyse élémentaire?

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Flash EA 1112 series

Thermo Finnigan

CHNS-O

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

UMX5 Comparator

Mettler Toledo

Précision 0.1µg et Max 5.1g

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Préparation de l’échantillon

Le LMP n’est pas équipé pour peser des produits sensibles à l’air ni les liquides.

Il est demandé de fournir un échantillon solide d’une quantité de produit voisine de 10mg.

Le produit non utilisé pour les analyses pourra être récupéré en même temps que les résultats.

2 pesées par échantillons Entre 0.8mg et 3mg

CHNS Capsules en Etain

O Capsules en Argent

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Méthode CHNS

L’analyseur permet de doser simultanément par combustion les éléments: Azote, Carbone, Hydrogène, Soufre.

Méthodologie: Introduction de l’échantillon dans le four de combustion à 940°C Combustion éclair de la nacelle et de l’échantillon Conversion catalytique des gaz au fur et à mesure de la combustion et fixation de l’oxygène en excès dans un tube unique en quartz Séparation chromatographique Détection du signal par un catharomètre TCD (sensiblité, grande vitesse de réponse…)

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Méthode CHNS

Chromatogramme CHNS

Azote

Carbone

Hydrogène Soufre

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Méthode O

L’analyseur permet de doser par pyrolyse l’Oxygène. Méthodologie: Introduction de l’échantillon dans le four régulé à 1000°C Conversion des gaz de pyrolyse en CO Séparation chromatographique Détection du signal par un catharomètre TCD

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Méthode O

Chromatogramme O

Oxygène

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Methionine Methionine avec 5% de H2O

Methionine avec 10% de H2O

% C 40.24 38.21 36.21

%H 7.44 7.63 7.82

%N 9.39 8.91 8.45

%S 21.49 20.40 19.34

%O 21.44 24.84 28.18

Exemple n°1:produit pas sec

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Methionine Methionine avec 5% de CH3CN

Methionine avec 10% de CH3CN

% C 40.24 41.15 42.05

%H 7.44 7.44 7.44

%N 9.39 10.62 11.84

%S 21.49 20.42 19.36

%O 21.44 20.38 19.32

Exemple n°2:produit avec trace de solvant

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Précision de l’analyseur Précision garantie par le fournisseur pour les déterminations CHNS et O

Valeur théorique Valeur expérimentale et écart maximal tolérable

(en % absolu)

0.01% (100ppm) 100ppm ± 10

0.10% 0.1% ± 0.01

1.00% 1.00% ± 0.02

10.00% 10.00% ± 0.1

50.00% 50.00% ± 0.3

90.00% 90.00% ± 0.3

Tests réalisés sur des produits organiques supposés purs, avec 10 déterminations.

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Tarification

Tarifs UM2 Tarifs Académiques Tarifs industriels

1 ou 2 éléments = 6€ 3 éléments = 8€

4 éléments = 10€ Oxygène = 8€

1 ou 2 éléments = 12€ 3 éléments = 16€ 4 éléments = 20€

Oxygène = 16€

1 ou 2 éléments = 50€ 3 éléments = 70€ 4 éléments = 90€

Oxygène = 70€

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Programme

Nacelles ‘spectrométrie de masse’ et ‘analyse élémentaire’ dans la PAC Chimie Balard: des outils de détermination de formules brutes de composés organiques Pr Christine Enjalbal, IBMM, Co-responsable de la PAC Chimie Balard

L’analyse élémentaire organique (C, H, N, S, O) Magalie Lefeuvre, LMP, Université de Montpellier 2

Principes généraux de la spectrométrie de masse haute résolution (HR-MS) et de la mobilité ionique (IM-MS) Gilles Valette, LMP, Université Montpellier 2

L’apport du Synapt G2-S pour la caractérisation structurale. Guillaume Cazals, LMP, Université Montpellier 2

Question-Réponses

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

26

Spectre de masse

Massif isotopique

Résolution

Exactitude

Mobilité ionique

Synapt G2S

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Petit rappel:

La spectrométrie de masse permet de transformer des

molécules dans leur état naturel en ions à l’état gazeux et

d’obtenir leur mase moléculaire m en analysant leur

rapport masse / charge, noté m/z, où z est la charge de

l’ion. C’est une balance moléculaire.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

28

100 200 300 m/z

Intensité ou

intensité relative

Abscisse: Rapport m/z

Ordonnée: Intensité ou intensité relative

Spectre de masse:

400

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

29

Quelles informations nous donne une SM

La masse moléculaire grâce à la valeur du rapport m/z du pic moléculaire

Informations sur la composition élémentaire grâce à la précision de la mesure

et du massif isotopique

Informations sur la structure grâce aux fragmentations

100 200 300 m/z

Intensité ou

intensité relative

400

M

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

30

Unité de mesure:

- La masse moléculaire s’exprime en g/mol, en Dalton (Da)

ou en unité de masse atomique unifiée (U).

- Unités parfaitement identiques

- Da = 1/12 de la masse d’un atome de carbone 12 soit

1,66 x 10-27 kg

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

31

La molécule a été ionisée grâce à la perte ou au gain d’un proton. On observe

l’ion [M + H]+ en positif ou [M - H]- en négatif.

La masse moléculaire est déduite de la rapport m/z du pic moléculaire.

Si l’ion observé, en mode, positif a une masse de m/z = 327g/mol, la masse

moléculaire du produit sera :

[M + H]+ = 327 M = 327 - H = 327 -1 = 326 g/mol

L’ existence d’isotopes se traduit par la présence de plusieurs pics moléculaires

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

32

Quelle masse mesure-t-on?

Masse chimique ou moyenne:

C’est le barycentre (centroïde) des masses

des pics constituant le profil isotopique, c’est-

à-dire la masse qui prend en compte la masse

des éléments donnée par le tableau

périodique (C = 12,011; …).

Masse monoisotopique:

C’est la masse du premier pic du profil

isotopique, c’est-à-dire celle qui ne prend en

compte que les masses des isotopes les plus

stables (H1, C12, O16, S32, N14, …).

m/z

Masse Moyenne

m/z

Masse monoisotopique

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

• Massif isotopique

33

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

34

Isotopes: Un élément est souvent constitué de plusieurs isotopes présents

dans diverses proportions nommées abondance.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

35

Elément Masse atomique

Nucléide Masse Exacte

Abondance relative %

H 1,00797 1H

D 1,00783 2,01410

99,985 0,0151

C 12,01115 12C

13C

12,00000 13,00336

98,90 1,10

N 14,0067 14N

15N

14,0031 15,0001

99,63 0,37

O 15,9994

16O

17O

18O

15,9949 16,9991 17,9992

99,76 0,04 0,20

P 30,974 31P 30,974 100

Isotopes: Un élément est souvent constitué de plusieurs isotopes présents

dans diverses proportions nommées abondance.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

36

Cas des isotopes de faible abondance: exemple 1

CH4 M/z = 17

13CH4 M/z = 18

CH3D M/z = 18

13CH3D M/z = 19

1,1 %

100 %

13CH4

CH3D

CH4

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

37

Cas des isotopes de faible abondance: exemple 2

C100H202 M/z = 1404,5

13CC99H202 ; C100H201D M/z = 1405,5

13C2C98H202 ;

13C1C98H201D ;C100H200 D2 M/z = 1406,5

13C3C97H202 ;

13C2C98H201D ; 13CC99H200D2 ; C100H200 D3 M/z = 1407,5

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

38

Cas des isotopes de faible abondance: exemple 2

C100H202 M/z = 1404,5

13CC99H202 ; C100H201D M/z = 1405,5

13C2C98H202 ;

13C1C98H201D ;C100H200 D2 M/z = 1406,5

13C3C97H202 ;

13C2C98H201D ; 13CC99H200D2 ; C100H200 D3 M/z = 1407,5

100 %

90,5 %

54,7 %

19,7 %

Massif isotopique

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

39

Cas des isotopes très abondants (Cl et Br) : exemple 1

Brome a deux isotopes 79Br (50,69 % ) et 81Br (49,31 %)

100 %

1,08 %

97,3 %

1,05 %

CH3Br Mmonoisotopique = 93,9 g/mol Mmoyenne = 94,9 g/mol

P

P+1

P+2

P+3

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

40

Cas des isotopes très abondants: exemple 1

Brome a deux isotopes 79Br (100 % ) et 81Br (97,3 %)

CBr4 Mmonoisotopique = 327,7 g/mol Mmoyenne = 331,6 g/mol

17,6 %

0,19 %

68,5 %

0,7 %

100 %

1,08 %

64,8 %

0,7 % 15,7 %

0,17 %

P+4

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

41

Nombre et l’intensités relatives des pics du massif isotopique: (a+b)n

a = abondance relative de l’isotope le plus léger

b = abondance relative de l’isotope le plus lourd prise égal à 1

n = Nombre d’atomes de l’élément considéré

Cas du Chlore

Deux isotopes 35Cl (100%) et 37Cl (32,5%)

a = 3 pour l’atome de 35Cl (car environ 3 fois plus abondant que 37Cl)

b = 1 pour l’atome de 37Cl

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

42

Cl

(a+b)

3+1

Cl2

(a+b)2

a2+2ab+b2

9+6+1

Cl3

(a+b)3

a3+3a2b+3ab2+b3

27+27+9+1

Cl4

(a+b)4

a4+4a3b+6a2b2+4ab3+b4

81+108+54+12+1

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

• La résolution (R)

43

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

44

H

H/2

M

DM

R = M/DM

Résolution: Rapport de la masse du composé sur la

largeur du signal à mis hauteur.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

45

C50H102

R = 5 000

Q-tof

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

46

C50H102

R = 35 000

Synapt G2S

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

47

Une mesure dite « Haute Résolution » est surtout

effectuée pour obtenir une valeur de masse exacte.

Attention: La résolution permet d’obtenir des

mesures précises, mais pas nécessairement des

mesures exactes.

L’exactitude dépend de l’étalonnage.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

48

Exactitude & precision

Exactitude, Pas de precision

Precision, Pas d'exactitude

Pas de precision, Pas d'exactitude

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

• L’exactitude

49

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

50

Exactitude: Obtenue par la qualité de la calibration.

Avant sur Q-tof: Ajout d’une « lock mass »

dans la solution d’analyte.

Inconvénients: Interférences potentielles,

suppression d’ionisation, …

Sur SYNAPT: source lockSpray

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

51

Lock mass infusée par un

second sprayer

Basculement du baffle

programmé

Enregistrement séparé du

spectre de référence et du

spectre de l’analyte.

Elimination des interférences

entre le lock mass et les

analytes.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

52

Lock mass infusée par un

second sprayer

Basculement du baffle

programmé

Enregistrement séparé du

spectre de référence et du

spectre de l’analyte.

Elimination des interférences

entre le lock mass et les

analytes.

Exactitude sur la mesure

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

53

Grace à la précision de la mesure, nous pouvons simuler

l’analyse élémentaire de la molécule, c’est-à-dire déterminer la

nature et le nombre d’atomes qui constituent la molécules

étudiées.

C’est un traitement mathématique, qui peut être renforcé par

la comparaison des massifs isotopiques (théorique et

expérimental)

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Haute résolution

Calcul de l’écart de masse :

Masse exacte : 400,0000

Masse mesurée : 400,0020

Erreur en ppm : 0,002 / 400 x 106 = 5 ppm

(erreur limite maximum tolérée)

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

55

Limitations de la mesure de masse exacte :

Pour une composition élémentaire C0-100H3-74N0-4O0-4

Masse nominale de 118 Da : le plus proche voisin est à 34 ppm (soit à 0,004

g/mol)

Masse nominale de 500 Da : 5 composés pour une erreur de 5 ppm (soit

0,0025 g/mol)

Masse nominale de 750,4 Da : 626 composés pour une erreur de 5 ppm (soit

0,0375 g/mol). Pour avoir une seule masse, il faut une erreur de 0,018 ppm.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

56

L’apport de la haute résolution

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

• La mobilité ionique

57

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

58

- Théorie proposée en 1903 par P Langevin

- Première mesure de mobilité ionique en 1931

- Elle consiste à soumettre des molécules ionisées à un champ

électrique dans un courant de gaz. Les ions se déplacent suivant le

champ électrique à une vitesse qui dépendra de leur interaction avec

le gaz, c'est-à-dire de leur masse, de leur taille et de leur forme : on

parle de séparation suivant la mobilité.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

59

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

60

Vitesse de diffusion: Vd = K.E

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

61

Vitesse de diffusion: Vd = K.E

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

62

Quand la charge augmente, le temps de drift diminue.

Si la section efficace de collision augmente (taille ou forme

plus grande), le temps de drift augmente aussi.

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Programme

Nacelles ‘spectrométrie de masse’ et ‘analyse élémentaire’ dans la PAC Chimie Balard: des outils de détermination de formules brutes de composés organiques Pr Christine Enjalbal, IBMM, Co-responsable de la PAC Chimie Balard

L’analyse élémentaire organique (C, H, N, S, O) Magalie Lefeuvre, LMP, Université de Montpellier 2

Principes généraux de la spectrométrie de masse haute résolution (HR-MS) et de la mobilité ionique (IM-MS) Gilles Valette, LMP, Université Montpellier 2

L’apport du Synapt G2-S pour la caractérisation structurale. Guillaume Cazals, LMP, Université Montpellier 2

Question-Réponses

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

L’apport du Synapt G2-S pour la caractérisation

structurale.

Guillaume Cazals

[email protected]

Tél: 04-67-14-38-04

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

65

Appareillage complet de LC-HRMS installé en Avril 2013

Chaîne chromatographique : Acquity UPLC H-Class (Waters)

Spectromètre de masse : Synapt G2-S (Waters)

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

66

Schéma de principe

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

67

Schéma de principe

Cellule de mobilité ionique et de collision

Source d’ionisation

Analyseur Quadripolaire

Analyseur Temps de vol

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

- Couplage avec la chromatographie liquide (LC/MS).

- Méthodes d’ionisation douces : Peu de fragmentation.

- Elle est utilisée pour l’étude de molécules comme des peptides, proteines,

sucres, carbohydrates, …

- Les solvants protiques utilisés doivent être volatils (MeOH, ACN, H2O).

68

Sources d’ionisation

Source Dual EScI : ESI et APCI

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

- Analyse de composé solide, liquide, en solution.

- Polymères, molécules apolaires, hydrocarbures.

- Désorption thermique

- Risque de pyrolyse

69

Sources d’ionisation

Source ASAP (Atmospheric Solids Analysis Probe)

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

70

Principe de l’ASAP

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

71

Exemple d’application : petite molécule

I

Br S

CH3

CH3

CH3

C4H2BrIS

M+·

α-pinene

C10H16

[M+H]+

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

72

Exemple d’application : polymère

PEG400

44Da

44Da

44Da

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

73

Composé issue de la pyrolyse du PP

Lattimer, R. P. J. Anal. Appl. Pyrolysis 1993, 26, 65-92

Polypropylene

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

- Résolution du temps de vol = 35 000

- Précision de mesure :

1 mDa pour m/z < 400Da

1 ppm pour 400Da < m/z < 700Da

- Accès aux expériences de MSMS

74

Analyseur

Analyseur en Tandem Q-Tof

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

L’apport de la haute résolution

Ecart entre P et P+1 = 0.17 donc z = 6 Signature isotopique de certains éléments

0,17

0,17

56Fe

54Fe

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Elemental Composition Report

Single Mass Analysis

Tolerance = 5.0 PPM / DBE: min = -1.5, max = 50.0

Element prediction: Off

Number of isotope peaks used for i-FIT = 3

Monoisotopic Mass, Even Electron Ions

212 formula(e) evaluated with 1 results within limits (up to 20 best isotopic matches for each mass)

Elements Used: C: 0-100 H: 0-150 N: 0-30 O: 0-30

Mass Calc. Mass mDa PPM DBE i-FIT Norm Conf(%) Formula

195.0881 195.0882 -0.1 -0.5 5.5 775.6 n/a n/a C8 H11 N4 O2

C8 H10 N4 O2

Mmonoisotopique = 194.08 g/mol

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

77

C28 H37 N5 O7

Mmonoisotopique = 555.27 g/mol

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

78

Elemental Composition Report

Single Mass Analysis

Tolerance = 5.0 PPM / DBE: min = -1.5, max = 50.0

Element prediction: Off

Number of isotope peaks used for i-FIT = 3

Monoisotopic Mass, Even Electron Ions

2830 formula(e) evaluated with 12 results within limits (up to 20 closest results for each mass)

Elements Used:

C: 0-100 H: 0-150 N: 0-30 O: 0-40

Minimum: -1.5

Maximum: 1.0 5.0 50.0

Mass Calc. Mass mDa PPM DBE i-FIT Norm Conf(%) Formula

556.2772 556.2771 0.1 0.2 12.5 719.7 0.026 97.45 C28 H38 N5 O7

556.2785 -1.3 -2.3 17.5 723.4 3.742 2.37 C29 H34 N9 O3

556.2758 1.4 2.5 7.5 726.2 6.529 0.15 C27 H42 N O11

556.2758 1.4 2.5 18.5 727.8 8.184 0.03 C25 H30 N15 O

556.2744 2.8 5.0 13.5 729.9 10.241 0.00 C24 H34 N11 O5

556.2790 -1.8 -3.2 -0.5 732.5 12.850 0.00 C16 H42 N7 O14

556.2753 1.9 3.4 25.5 732.8 13.143 0.00 C40 H34 N3

556.2776 -0.4 -0.7 5.5 735.0 15.316 0.00 C13 H34 N17 O8

556.2790 -1.8 -3.2 10.5 735.1 15.431 0.00 C14 H30 N21 O4

556.2763 0.9 1.6 0.5 735.5 15.796 0.00 C12 H38 N13 O12

556.2763 0.9 1.6 11.5 738.3 18.603 0.00 C10 H26 N27 O2

556.2749 2.3 4.1 6.5 738.4 18.771 0.00 C9 H30 N23 O6

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

- Exemple avec la fragmentation de peptides Nomenclature des ions fragments de peptides , schéma général :

2 séries d’ ions

Ions b : partie N-terminale

Ions y : partie C-terminale

2 séries d’ ions

Ions b : partie N-terminale

Ions y : partie C-terminale

Ions b : partie N-terminale

Ions y : partie C-terminale

H2NNH

HN

NH

HN

OH

O

O

O

O

O

R1

R2

R3

R4

R5

H2N

OH

1 2 3 4 5

12345

b4

a4

y1

Ions b Ions a- CO

Ions y

H2NNH

HN

NH

HN

OH

O

O

O

O

O

R1

R2

R3

R4

R5

H2N

OH

1 2 3 4 5

12345

b4

a4

y1

Ions b Ions a- CO

Ions b Ions a- CO

Ions y

“Proteomics, peptide sequencing and the fragmentation mechanisms of small organic ions” Journal of massspectrometry (2000), 35

Roepstorff P., Fohlman J. Biomed. Mass Spectrom. 1984; 11: 601

Expérience MSMS

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Fragmentation d’un pentapeptide [M+H]+ = 556.2772 Da

[M+H]+

iY

b4

0.5ppm

a4

0.8ppm

iF

1.6ppm

b3

0ppm

Y – G – G – F – L

y2

1.1ppm

b2

0.5pmm

b4 b3 b2

y2

iY

0ppm

GF-CO

2.2ppm

M+H 0.2ppm

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

81

Expérience de mobilité ionique : Caractérisation structurale

81

Cellule de mobilité ionique et de collision

Source d’ionisation

Analyseur Quadripolaire

Analyseur Temps de vol

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Expérience de mobilité ionique : Caractérisation structurale

Collision CID Collision CID

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Expérience de mobilité ionique : séparation de composé isobarique

PGAHIWEAGAK

Mmonoisotopique = 1135.58 g/mol

VEYLASITLK

Mmonoisotopique = 1135.65 g/mol

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Monochargé Dichargé

©2012 Waters Corporation 76

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

MD Tri 13

5450_024.raw : 1

2 mobilités pour m/z 1136.6

5450_024.raw : 1

©2012 Waters Corporation 78

+1

+2 +3

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

B

A

©2012 Waters Corporation 79

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

Ions B

Ions A

Spectre avant séparation

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PLATEFORME D’ANALYSE ET DE CARACTÉRISATION (P.A.C. BALARD)

5450_028.raw : 2

Ions B

Ions A

5450_028.raw : 2

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Ions B

Ions A

Spectre complet

b2 b3

b4

y6

b5

b4

b7

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Expérience de mobilité ionique : Etude d’une molécule « lasso »

Coutrot et al., A pH-Sensitive Peptide-Containing Lasso Molecular Switch, Molecules, 2013, 18, 11553-11575.

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Coutrot et al., A pH-Sensitive Peptide-Containing Lasso Molecular Switch,

Molecules, 2013, 18, 11553-11575.

(a) CH3CN

(b) CH3CN/CH2Cl2 30/70

(c) CH3CN/CH2Cl2 20/80

(d) CH3CN/CH2Cl2 10/90

(e) CH2Cl2

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Expérience de mobilité ionique : Caractérisation structurale

Exemple de triterpénoïde

Extrait naturel de plantes aux propriétes anti-inflammatoires

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Expérience de mobilité ionique : fragmentation CID en ‘Trap’

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Même m/z mais temps de dérive (drift time)

différents

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Expérience de mobilité ionique : fragmentation CID en ‘Trap’ + ‘Transfer’

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Même temps de dérive

A

B

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Temps de dérive A

Temps de dérive B

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Expérience de mobilité ionique : séparation d’isomères de position

- En collaboration avec l’équipe 12 de l’IBMM et CEA, DSV, Marcoule

- Greffage du TMPP sur un l’amine N-ter d’un pentapeptide de séquence PICAK

- Fragmentation en MALDI-TOF-TOF donne un ion non attendu

TMPP-PICAK

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101

572.976

1103.291

180.992

975.256

606.955

755.157

858.144

929.224500.990

364.908 1057.39470.029 150.981 826.205642.034

540.894

302.973

0

1000

2000

3000

4000

5000

Inte

ns. [a

.u.]

200 400 600 800 1000 1200m/z

a2a3

a4iP

*

*

*

*

- K

*

MH+TMPP*-P I C A K

a2a3

a4

b4+H2O

b4+H2O

C29H36O10PS

- CH=SH

d3d2

- Fonctionalisation de la cystéine ? Présence d’isomères ?

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Analyse du composé en ESI-IMS-MS

- Mobilogramme obtenu pour l’ion 1103.5 Da (TMPP-PICAK)

- Deux composés isomères séparés en mobilité ionique

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Analyse du composé en ESI-IMS-MSMS

(A)

(B)

a2

TMPP-SH

a3 a4

b4+H2O

TMPP

TMPP

TMPP

M+

Molécule A : TMPP

greffé sur l’amine N-

terminale du peptide

Molécule B : TMPP greffé sur le

groupement sulfhydryle de la chaîne

latérale de la cystéine (C)

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Retour sur l’analyse de PP : ASAP-IMS-MS

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105

Composé issue de la pyrolyse du PP

Lattimer, R. P. J. Anal. Appl. Pyrolysis 1993, 26, 65-92

Polypropylene

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Retour sur l’analyse de PP : ASAP-IMS-MS

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Programme

Nacelles ‘spectrométrie de masse’ et ‘analyse élémentaire’ dans la PAC Chimie Balard: des outils de détermination de formules brutes de composés organiques Pr Christine Enjalbal, IBMM, Co-responsable de la PAC Chimie Balard

L’analyse élémentaire organique (C, H, N, S, O) Magalie Lefeuvre, LMP, Université de Montpellier 2

Principes généraux de la spectrométrie de masse haute résolution (HR-MS) et de la mobilité ionique (IM-MS) Gilles Valette, LMP, Université Montpellier 2

L’apport du Synapt G2-S pour la caractérisation structurale. Guillaume Cazals, LMP, Université Montpellier 2

Question-Réponses

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