Analyse des molécules complexes et de leurs réactions sur les surfaces au moyen de la desorption induite par les grappes/spectrométrie de masse d’ionisation

Les techniques d’analyse sensibles à la surface sont souvent basées sur des sondes de particules telles que des électrons à basse énergie, des atomes ou des ions qui interagissent fortement avec des échantillons solides. En conséquence, ils montrent une sensibilité de surface élevée et des informations détaillées sur la structure de la surface peuvent être obtenues¹. L’information chimique, cependant, est souvent limitée. À titre d’exemple, la spectroscopie par photoélectronique à rayons X peut fournir des informations quantitatives sur la composition atomique et sur l’environnement chimique moyen d’une espèce donnée (p. ex., les atomes de carbone d’une molécule organique adsorbée sur une surface²). Cependant, il est difficile d’obtenir des informations plus détaillées sur les molécules complexes à adsorbed de surface, telles que leur structure détaillée ou leurs sites de liaison, avec des techniques standard d’analyse de surface. D’autre part, le besoin de telles informations s’accroît avec l’intérêt croissant pour la fonctionnalisation de surface au moyen de molécules organiques. Les champs en expansion de la synthèse à la surface³ ou de la fonctionnalisation de surface par l’attachement des biomolécules^4,5 sont deux exemples proéminents. Dans tous ces domaines, des questions fondamentales sur les interactions adsorbate s’adsorbate et adsorbate sont étudiées afin de mieux comprendre les systèmes. Pour ces recherches, un maximum d’informations sur les molécules adsorbed est souhaitable.

En partie, la spectrométrie secondaire de masse d’ion (SIMS) peut donner de telles informations. Tout d’abord, SIMS est très sensible à la surface. Deuxièmement, comme les adsorbates pulvérisés et leurs fragments sont détectés au moyen de la SP, l’information bien au-delà de la composition atomique est obtenue. Selon la nature des espèces chimiques adsorbed sur la surface, il peut être identifié par sa masse moléculaire et le modèle de fragment observé dans le spectre de masse⁶. Les fragments induits par les ions primaires peuvent en effet aider à l’identification du matériel analysé. D’autre part, si la modification induite par l’ion primaire (fragmentation, réactions induites par les ions, mélange) de l’échantillon est trop forte, la plupart des informations sur l’état d’origine de l’échantillon sont perdues. Ainsi, d’importants efforts ont été entrepris pour réduire la fragmentation des SIMS (p. ex., en utilisant des grappes moléculaires chargées comme ions primaires^7,8,9). Cependant, la fragmentation domine toujours les spectres SIMS de grandes macromolécules et d’échantillons biologiques¹⁰, limitant l’application de SIMS dans divers domaines.

Comme alternative, nous avons montré la desorption/ionisation induite par les amas neutres (DINeC) pour être une méthode d’ionisation douce et sans matrice qui a été employée avec succès pour l’analyse spectrométrique de masse des molécules complexes^{11,12,13,14,15,16,17}. DINeC est basé sur un faisceau de clusters moléculaires qui se composent de 10³ à 10⁴ SO₂ molécules (Figure 1). Lorsque les grappes ont un impact sur l’échantillon, elles interagissent de différentes façons avec les molécules à la surface et à la surface : premièrement, une partie de l’énergie cinétique du cluster est redistribuée et active la désorption. Fait de même, la molécule de desorbing est dissoute dans l’amas lors de l’impact de la surface du cluster^11,18,19 ( Figure1 et Figure 2). En d’autres termes, sur la base du moment de dipole élevé de SO₂, les amas servent très efficacement de matrice transitoire pour les analytes polaires. En conséquence, la desorption des molécules d’analyte a lieu à des énergies de faisceau aussi bas que 1 eV/molécule et au-dessous. La nature molle du processus de desorption est encore soutenue par le refroidissement rapide du système lorsque l’amas SO₂ se brise pendant et après l’impact de surface^11,19. En conséquence de ces divers aspects, la desorption induite par les grappes de molécules complexes telles que les peptides, les protéines, les lipides et les colorants se produit sans aucune fragmentation des molécules de desorbing^11,15; les spectres de masse typiques montrent le pic dominant à la valeur m/z de la molécule intacte ([M-H]^ou [M-H]^–, Figure 3). Selon le nombre et la nature des groupes fonctionnels dans la molécule, plusieurs cations chargées de la forme [M H]^{n ‘} sont observés^11,15,18. Pour les biomolécules, l’ionisation a généralement lieu par l’intermédiaire de l’admission ou de l’abstraction d’un proton à un groupe fonctionnel de base ou acide, respectivement¹¹. Si des molécules d’eau sont présentes dans l’échantillon, LES molécules SO₂ de l’amas peuvent réagir avec ces molécules d’eau formant de l’acide sulfureux¹⁸. Ce dernier peut agir comme une source efficace de protons qui favorise davantage le processus d’ionisation en cas d’ionisation par l’intermédiaire de l’utilisation de protons (mode ion positif)^13,18.

Figure 1 : Illustration schématique de la désorption/ionisation induite par les grappes et de la mise en place expérimentale. La désorption/ionisation induite par le cluster est effectuée dans un récipient à vide élevé. Un faisceau de SO₂ clusters (points jaunes) est produit par l’expansion supersonique d’un mélange de gaz SO₂/He à partir d’une buse pulsée. Lors de l’impact de la surface des grappes, les molécules de surface sont desorées et ionisées. Les ions moléculaires (points rouges/oranges) sont transférés via une grille biaisée, une double entrée d’entonnoir ionique et des guides d’ions octopolaires dans le piège ionique pour la spectrométrie de masse. Les spectres de masse typiques montrent des pics dominants aux valeurs m/z des molécules intactes, ici : M1 (orange) et M2 (rouge) en mode ion positif. Explosion : Lors de l’impact de la surface du cluster, les molécules desorbed sont dissoutes dans le cluster impactant ou l’un de ses fragments. L’éclatement et l’évaporation supplémentaires des molécules so₂ conduisent alors à l’ion moléculaire nu et intact tel qu’détecté dans le spectromètre de masse. Voir aussi Figure 2. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Instantanés de simulations de dynamique moléculaire illustrant la désorption induite par les grappes par dissolvation. (A) Un amas SO₂ (300 molécules) s’approche de la surface avec 1250 m/s perpendiculaireà à la surface sur laquelle un dipeptide (acide-arginine aspartique, ASP-ARG) est adsorbed. (B) Lors de l’impact de la surface du cluster, le cluster se brise. Le dipeptide adsorbed interagit avec les molécules environnantes so₂ conduisant à sa dissolvation dans l’un des fragments de cluster. (C) Les fragments d’amas sont repoussés de la surface. Le fragment étiqueté (cercle bleu) porte le dipeptide qui est desorbé dans ce fragment. Ce chiffre a été modifié à partir de la référence 19. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3 : Spectre de masse représentatif et modèle moléculaire de l’angiotensine II. (A) Spectres de masse (panneau supérieur : mode ion positif, panneau inférieur : mode ionique négatif) tel qu’obtenu après la désorption/ionisation induite par le cluster à partir d’un échantillon d’angiotensine II. L’échantillon a été préparé en jetant la solution respective sur une plaquette Si (couverte par son oxyde naturel). Les principaux pics sont attribués à la biomolécule intacte, [M-H]^et [M-H]^–; aucun modèle de fragmentation n’est observé. Les douilles ([2M-H]^,flèche) indiquent en outre la nature douce du processus de desorption. Le signal ionique positif est plus intense en raison de l’influence des clusters SO₂ ¹⁸. (B) Modèle de remplissage de l’espace et séquence d’acide aminé de l’angiotensine II. Les boules blanches indiquent des atomes d’hydrogène ; noir: carbone; bleu: azote; rouge: oxygène. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

DINeC peut être appliqué à n’importe quel type d’échantillon solide qui est compatible avec des conditions à vide élevé. Aucune préparation spéciale d’échantillon n’est exigée, en particulier aucune matrice n’a à être appliquée avant des mesures d’INeC-MS, contrairement à la spectrométrie de masse de dessorption/ionisation de laser matrix-assistée (MALDI) et aux techniques connexes^20,21. Cela permet des mesures en temps réel des changements chimiques de l’échantillon avec des conditions expérimentales variables telles que la pression de fond des espèces réactives dans la chambre à vide²² ou la température de l’échantillon. La limite de détection de DINeC-MS a été montrée pour être dans la gamme femtomole¹¹. Lorsqu’il est appliqué à l’analyse des biomolécules adsorbed sur les surfaces solides dans le régime de sous-monocouche, une couverture de surface aussi bas que 0,1% d’un monocouches a été détectée²³. Dans ce régime de couverture, l’intensité du signal dépend linéairement de la couverture de surface et DINeC-MS peut être utilisé pour l’analyse quantitative de la composition de surface²³. Dans le cas d’échantillons mixtes, une évaluation quantitative de la composition de l’échantillon est possible^17,24, car aucun effet majeur de l’environnement chimique sur la probabilité d’ionisation n’est observé (p. ex., dans le cas des échantillons mixtes de lipides/peptides¹⁷). Ceci contraste clairement avec le SIMS, pour lequel la probabilité d’ionisation d’une espèce donnée est généralement fortement influencée par la présence de différents composants chimiques (l’«effet matriciel»^25,26).

En plus de l’analyse de surface, la composition chimique dans la région souterraine peut être sondée au moyen d’un profilage de profondeur¹⁷. Avec la configuration actuelle, les taux typiques de desorption induite par les grappes de biomolécules sont de l’ordre de 10^-3 nm/s. Une résolution de haute profondeur de l’ordre de 1 à 2 nm a été observée pour les échantillons mixtes de lipides/peptides¹⁷.

Un autre champ d’application est la combinaison de DINeC-MS avec la chromatographie de couche mince (TLC). Les plaques TLC conventionnelles peuvent être analysées directement au moyen de dINeC-MS. Les spectres de masse dépendants de la position peuvent être acquis à partir des plaques TLC et ainsi des chromatogrammes spécifiques à la masse peuvent être obtenus à partir des plaques TLC²⁷. Aucune ré-élution des analytes séparés n’est nécessaire, différente de TLC en combinaison avec ESI^28,29. Aucune matrice n’est nécessaire pour la combinaison DINeC-MS TLC non plus, contrairement au couplage de TLC avec MALDI^28,29.

L’ionisation par électrospray de desorption (DESI) est également une méthode douce de desorption/ionisation pour les applications DeS^30,31. Les différences les plus frappantes entre DINeC et DESI sont: la nature quantitative de DINeC²³, sa compatibilité avec les conditions ultra-haute-vide (UHV), en particulier la possibilité d’étudier les échantillons préparés et transférés dans des conditions UHV sans briser le vide²³, ainsi que la possibilité de desorb efficacement molécules non polaires¹⁹.

En principe, DINeC en tant que source de desorption/ionisation peut être couplé à n’importe quel type de spectromètre de masse. Cependant, la combinaison avec la spectrométrie de masse de piège d’ion comporte deux avantages principaux : d’abord, la largeur d’impulsion et le taux de répétition d’un faisceau pulsé typique de faisceau correspondent très bien au temps d’accumulation discontinu aussi bien que le taux spectral du piège d’ion^15,32. Deuxièmement, la nature molle du processus DINeC conduit à la desorption de molécules intactes. En combinaison avec les capacités MSⁿ de la spectrométrie de masse de piège à ion, cela permet une analyse plus complète des échantillons étudiés¹⁵.