Un spectromètre de masse à gaz est un instrument analytique utilisé pour déterminer la concentration d’éléments dans des échantillons connus et comme outil pour déduire la composition d’échantillons inconnus. Il fonctionne en détectant la déviation des ions chargés dérivés de l’atome ou de la molécule dans un champ magnétique. En analyse inorganique, chaque atome élémentaire produit un spectre caractéristique. Les atomes moins massifs sont davantage déviés, tout comme les atomes plus chargés. Plusieurs améliorations apportées à cette configuration de base rendent le spectromètre de masse à gaz utile dans l’analyse organique ainsi que la détermination élémentaire.
Dans les spectromètres de masse à gaz de base utilisés pour l’analyse élémentaire, un échantillon liquide est d’abord préparé en extrayant ou en isolant autrement l’élément d’intérêt de l’échantillon d’origine. Le liquide est ensuite vaporisé et ionisé par bombardement avec un flux d’électrons qui élimine un ou plusieurs électrons de l’atome. L’ion maintenant chargé positivement traverse un champ magnétique à angle droit, qui exerce une force latérale sur l’ion. Le degré de déviation est directement proportionnel au rapport charge/masse des ions.
Alors que le principe du spectromètre de masse à gaz est facile à comprendre, l’instrument est une combinaison minutieuse de composants. L’échantillon vaporisé est introduit dans une chambre d’ionisation sous vide. Un vide est nécessaire, sinon l’ion nouvellement créé entrerait bientôt en collision avec une molécule d’air. Dans la chambre d’ionisation, une bobine métallique chauffée électriquement émet des électrons latéralement, éliminant les électrons des atomes formant des ions, qui sont ensuite collectés dans un piège à électrons. La chambre d’ionisation fonctionne à une tension positive de 10,000 XNUMX volts.
Les ions positifs sont accélérés hors de la chambre d’ionisation par une plaque repoussant les ions maintenue à une tension positive légèrement plus élevée. Le flux de particules hautement énergisées est concentré en un faisceau serré puis passé à travers un champ magnétique induit par un électro-aimant. Selon le rapport masse/charge, les ions seront plus ou moins déviés. La charge sur l’électro-aimant peut être modifiée pour mettre au point le flux d’ions d’intérêt sur la plaque de détection. Le détecteur compare le courant électrique produit par chaque flux d’ions pour déterminer l’abondance relative.
Chaque élément a un spectre caractéristique. Un spectre est un graphique de l’abondance relative de chaque rapport charge/masse. Chaque ligne du graphique est liée à la concentration relative des ions produits en éliminant le premier électron, suivi du deuxième électron, du troisième, et ainsi de suite. En comparant un spectre aux spectres de masse élémentaire dans les références, l’élément produisant le spectre peut être déterminé.
L’utilisation du spectromètre de masse à gaz en analyse organique est un peu plus compliquée. Les composés organiques créeront une grande variété de fragments ionisés dans la chambre d’ionisation. Les spectres de masse de composés organiques, même simples, sont beaucoup plus complexes et sont souvent sujets à plus d’interprétation. Le spectromètre de masse à gaz peut être utilisé pour confirmer l’identité d’un composé organique si le spectre est très propre, mais il faut souvent corréler les résultats d’autres techniques.
Dans un spectromètre de masse à chromatographie en phase gazeuse (GC/MS), un mélange de composés est d’abord séparé par chromatographie en phase gazeuse, puis introduit dans un spectromètre de masse à gaz. Dans la partie chromatographie en phase gazeuse de cet instrument combiné, les molécules vaporisées se séparent par leur capacité à diffuser à travers un gaz porteur. En faisant varier le type, la température et le débit du gaz vecteur, différents mélanges peuvent être séparés pour donner des échantillons propres et séparés de chaque composé. L’optimisation est nécessaire pour déterminer les réglages corrects du chromatographe en phase gazeuse et du spectromètre de masse ultérieur. Une fois la source d’échantillon caractérisée, comme dans une usine de fabrication ou une source naturelle telle qu’un puits de pétrole, ces instruments produisent des résultats économiques et fiables.