Brevet FR2814811A1 — publié le 20020405

La présente invention a trait à l'analyse chimique de corps chimiques de nature gazeuse, liquide ou solide par spectrométrie de masse et concerne en particulier une méthode de détermination de la masse moléculaire de chacun des constituants d'un corps chimique. Actuellement l'analyse d'un corps chimique, que ce soit un corps simple ou un mélange de corps simples, nécessite la mise en oeuvre d'appareils complexes et coûteux. Les méthodes d'analyse existantes ont des difficultés à identifier les composants d'un mélange de corps chimiques inconnus. Les précisions et leur fiabilité sont souvent limitées et il est difficile de les automatiser. Le demandeur a mis au point un appareil de détection et d'analyse faisant l'objet du brevet français 96 02585 permettant d'analyser des molécules de natures diverses. Il est constitué par l'assemblage de différents modules dont chacun comporte un ou plusieurs éléments constitutifs d'un dispositif de génération d'un jet moléculaire neutre énergétique, d'un dispositif de support ou de réception d'un échantillon à analyser et d'un dispositif de filtrage et détection des ions secondaires émis par le corps formant l'échantillon. Mais le problème se pose de déterminer rapidement et efficacement les masses moléculaires des constituants composant l'échantillon gazeux liquide ou solide et d'en déduire la formule chimique desdits constituants. C'est pourquoi le but de l'invention est de réaliser une méthode pour déterminer de façon précise et automatique la masse moléculaire d'un composé à partir de la détection de la masse des fragments de dissociation obtenus à la sortie d'un spectromètre de masse. L'objet de l'invention est donc une méthode de détermination de la masse moléculaire M d'au moins un corps chimique à la sortie d'un spectromètre de masse du type comprenant une boîte de dissociation dans laquelle des ions du corps fournis par une source d'ions se déplaçant à une vitesse définie par l'application d'une différence de potentiel sont dissociés en plusieurs fragments après avoir percuté des molécules d'un gaz neutre, un analyseur électrostatique dans lequel les fragments sont soumis à un champ électrostatique entre deux électrodes le long d'une trajectoire courbe de façon à sélectionner les fragments ayant une masse spécifique déterminée m, en fonction de la différence de potentiel appliquée ou du champ électrostatique et un détecteur pour détecter les fragments à la sortie de l'analyseur électrostatique. La méthode comprend les étapes de calculer le rapport entre les masses de deux fragments inconnus pour tous les couples possibles des masses des fragments, comparer chacun des rapports obtenus avec les rapports des masses de fragments étalons correspondant aux composés qui sont couramment obtenus par dissociation d'un corps quelconque, et déterminer la masse M du corps en utilisant les rapports de fragments inconnus qui sont égaux à des rapports de fragments étalons. Les buts, objets et autres caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement un spectromètre de masse adapté pour la mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 est un bloc-diagramme d'un système représenté sous forme fonctionnelle permettant de mettre en oeuvre les étapes de la méthode selon l'invention, et la figure 3 représente un tableau donnant les rapports des masses des fragments inconnus pris deux à deux détectés dans le spectromètre de masse. En référence à la figure 1, un spectromètre de masse adapté à la mise en oeuvre de l'invention comprend tout d'abord une source d'ions 10 de laquelle les ions sont extraits grâce à un potentiel d'extraction Vo fourni par un dispositif générateur stabilisé de haute tension 12. Les ions extraits possèdent donc une énergie s'exprimant par la formule : Ep=eVo (1) cette énergie pouvant atteindre 10 keV ou plus. On doit noter que les ions fournis par la source d'ions 10 peuvent provenir d'un corps gazeux liquide ou solide et peuvent être formés de un ou plusieurs constituants dont on veut déterminer la masse moléculaire. S'il s'agit d'un liquide, celui-ci est pulvérisé pour fournir les ions. S'il s'agit d'un solide, on obtient les ions par bombardement d'un échantillon à l'aide des molécules d'un gaz neutre tel que le krypton ou l'argon. Les ions sont ensuite dirigés vers une boîte de dissociation 16 dans laquelle les molécules à analyser sont cassées en fragments par les chocs dus aux molécules d'un gaz rare (krypton ou argon) fournies par une source de jet moléculaire de gaz rare 18. La boîte de dissociation 16 n'étant soumise à aucun potentiel, lors de la fragmentation de la molécule, les fragments obtenus conservent la même vitesse que les constituants d'origine. En supposant qu'un constituant à déterminer a une masse moléculaire M, et chacun des fragments une masse mu l'énergie cinétique du constituant peut s'exprimer par : c =lMv2 c 2 l'énergie cinétique de chaque fragment étant Ec'qui a la valeur : 1 2 1 2 12 - mv,-m2v,...-mivv 2 2 2 dépendant de la masse du fragment. Le rapport entre l'énergie cinétique d'un fragment ml et du constituant de masse M est donc : Ec'm. - =-- (2) Ec M Comme l'énergie cinétique Ec est égale à l'énergie du constituant acquise par l'application de la différence de potentiel Vo, on a donc : E, =miE C M P m r ?'i M Les fragments sont ensuite dirigés vers un analyseur électrostatique 20 dont les deux électrodes 22 et 24 séparées par une distance d et de rayon moyen R sont soumises respectivement aux potentiels +Vae et-Vae. Il existe donc un champ électrostatique radial entre les deux électrodes qui est égal à : E 2 Vae d Dans l'analyseur électrostatique 20, chaque fragment de masse ml est donc soumis à une force électrostatique égale à : Fe = e. E Fe = et d'autre part à une force centrifuge égale à : m v C R R Fc= R Fc=2-M V0 (5) R M En faisant varier la valeur du potentiel Vae de manière à balayer tout le spectre, on détermine pour chaque fragment de masse mi la valeur de ce potentiel nécessaire pour que le fragment sorte de l'analyseur électrostatique et puisse être détecté par un détecteur 26, c'est à dire lorsque la force électrostatique due au potentiel Vaei équilibre la force centrifuge : F =F e c soit : OeeL-OmLy. 2e. n'T/f d RM on en tire un rapport xi égal au rapport de la masse mi du fragment à la masse du constituant qui est égal à : m, rez Xi=--=-.-- (6) M d Vo En référence à la figure 2, on peut ainsi déterminer un ensemble de valeurs xi à la sortie du spectromètre de masse 30 en fonction des valeurs Vo et Vaei utilisées, ces valeurs étant enregistrées dans une première mémoire 32. On doit noter que si le corps chimique initial comprend plusieurs constituants comme c'est souvent le cas, il existe plusieurs valeurs de M à déterminer et l'ensemble xi correspond normalement à la réunion de plusieurs sousensembles associés respectivement aux différents constituants. L'opération suivante consiste à calculer dans un moyen de calcul 34, les rapports des valeurs Xl, Xj prises deux à deux, c'est à dire un ensemble de n (n+l)/2 rapports : Xi XiJ=L j où xi xj et i ou j varie de 1 à n, et d'emmagasiner ces rapports dans une deuxième mémoire 36. Avant de continuer, il est bon de préciser que tout corps chimique qui subit la fragmentation comme mentionné ci-dessus en référence à la figure 1, se divise en fragments dont on connaît la formule chimique. En règle générale, ces fragments qui seront appelés fragments étalons, font partie de l'ensemble suivant : C, CH2, N, NH, CH3, NH2, 0, OH, NH3, H20, C2H2, HCN, C2H3, CO, CNH2, C2H4, CHO, CNH3, C2H5, CH20, CNH4, C2H6, CH30, C3H2, C3H3, C3H4, C2HO, C3H5, C2NH3, C2H20, C2H4N, CsHë, CONH, C3H7, CNH5, C20H3, CN2H3, CO2, CONH2, C20H4, C2NH6, CO2H, C2H50, C3H20, C3H4N, C4H6, C3H30, C4H7, C2H2NO, C3H40, C4H8, C4H9, C3NH7, C2H3NO, C2H202, C2H4NO, CH4N3, C2H302, C2H5NO, C20NHe, C202H4, C3H4N2, C4H50, C5H9, C3H202, C30NH4, C4NHs, C5Hio, C3H302, C3H5NO, C4H9N, C3H3S, C3H402, C3H6NO, C4H80, C4HioN, C3H502, C2H5N20, C3H7NO, C2H4NO2, C2N20H6, C30NHs, C2H5NO2. Puisque la masse moléculaire de chaque fragment étalon est connue grâce à sa formule, il est facile d'en tirer les rapports des masses des fragments étalons pris deux à deux comme précédemment et de mémoriser ces rapports dans une troisième mémoire 38. Chaque rapport peut ni s'exprimer par X) =-- où m et ml sont les masses des MI fragments étalons. L'étape suivante consiste alors à effectuer la comparaison, dans un moyen de comparaison 40, entre chacun des rapports mémorisés dans la mémoire 36 et chacun des rapports emmagasinés dans la mémoire 38. Lorsque deux rapports sont égaux, le comparateur 40 fournit la valeur du rapport au moyen de calcul 42 pour la détermination de la masse moléculaire M. Une égalité entre les rapports signifie : X.,-Xi,) Xi J, xi MI xi mol Xj ml Si les fragments correspondants proviennent du même constituant de masse M, l'égalité ci-dessus signifie que la masse du fragment à déterminer est égale à la masse du fragment étalon, c'est à dire : mi = mk ou mj =MI Le calcul effectué par le moyen de calcul 42 consiste alors à déterminer la valeur M par l'équation : Mil (8) Xi Comme chaque constituant de masse M a donné lieu à plusieurs fragments de masse mi (i variant de 1 à n), le résultat de la comparaison par le comparateur 40 permet de déterminer une première pluralité d'égalités correspondant à une masse Mi d'un premier constituant, une deuxième pluralité d'égalités correspondant à une masse M2 d'un deuxième constituant, et ainsi de suite. Si, dans le rapport Xi, j qui a donné lieu à une égalité, chaque terme xi ou Xj correspond à un constituant différent, c'est à dire : mi et mj xi=- Xj=Ml M2 il est clair que le calcul effectué par le moyen de calcul 42 en utilisant l'équation (8) aboutit à un résultat erroné, la valeur M trouvée ne correspondant à aucune masse réelle. A la différence des nombreux résultats permettant d'obtenir les valeurs réelles des masses des constituants, ce résultat erroné n'est obtenu qu'une fois ou deux et peut donc être éliminé en se basant sur les principes de la statistique. L'exemple suivant permettra de mieux comprendre. On supposera qu'un ensemble de 19 valeurs Xl ont été obtenues par le détecteur 26 de la figure 1. On peut donc dresser le tableau à double entrées de la figure 3 donnant la valeur du rapport Xi, j pour chaque couple xi, Xj. On détermine que 6 rapports donnent lieu à une comparaison positive, à savoir : On détermine, ainsi, quatre valeurs approchées : m (Cl-12) ~ 14, 0 2 7 = , m (CH,), M 27 X 0, 132 m (CH3) 15, 035 M- ? =----=----=106, 631 X2 0, 141 m (C, H,), 30070, X5 0, 284 m rnH,,), 0135, Xil 0, 661 La moyenne M des masses ainsi obtenues, pour tous les couples (mi, xi), permet d'avoir une très bonne approximation de la masse réelle du corps inconnu : (Ml +M2 +M3 +M4) 106, 265+106, 631+105, 880+106, 104) 4 4 L'examen des corps de masse proche de 106 montre que le constituant à déterminer est 1'0-Xylène de formule CgHio dont la masse moléculaire exacte est M=106, 168. On doit noter qu'il est possible que deux rapports Xl, J et X'i, soient égaux, c'est à dire que, en cas de comparaison positive, Xi Xi mk X. Xj'ml soit encore : m, m,'ml mj mjt Mi On en tire alors les masses moléculaires Mi et M2 de deux constituants 1) mi =mk donne M=i 1 - 2) m.'=m donne M2=Xi' Il en est de même lorsqu'il existe deux rapports Xi, l et X'k, l identiques. Un calcul identique à celui effectué ci-dessus montre qu'il aboutit à la détermination de deux masses moléculaires. Les différents moyens 32 à 42 qui composent le système illustré sur la figure 2 (mis à part le spectromètre de masse 30) peuvent être réalisés par des dispositifs matériels tels que des processeurs à but spécifique, des dispositifs à logique câblée et des machines à états finis. Mais le mode de réalisation préféré consiste à utiliser un seul ordinateur sur lequel est exécuté un programme composé d'instructions adaptées pour mettre en oeuvre les étapes de la méthode qui vient d'être décrite. On doit noter que, bien que l'invention a été décrite en considérant un exemple de corps chimique organique, la méthode peut également être utilisée pour déterminer la masse d'un corps inorganique, seuls les fragments étalons étant différents de ceux cités dans la présente description. En outre, on peut adjoindre au corps analysé, un corps de même nature qui permet d'obtenir les valeurs des masses des fragments étalons avec plus de précision. REVENDICATIONS 1. Méthode de détermination de la masse moléculaire M d'au moins un composé chimique à la sortie d'un spectromètre de masse du type comprenant une boîte de dissociation (16) dans laquelle des ions dudit corps se déplaçant à une vitesse définie par l'application d'une différence de potentiel sont dissociés en plusieurs fragments après avoir percuté des molécules d'un gaz neutre (18), un analyseur électrostatique (20) dans lequel lesdits fragments sont soumis à un champ électrostatique entre deux électrodes (22,24) le long d'une trajectoire courbe de façon à sélectionner les fragments ayant une masse spécifique déterminée ml en fonction de ladite différence de potentiel appliquée ou dudit champ électrostatique et un détecteur (26) pour détecter lesdits fragments à la sortie dudit analyseur électrostatique ; ladite méthode étant caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes de : calculer le rapport entre les masses de deux fragments inconnus pour tous les couples possibles des masses desdits fragments, comparer chacun desdits rapports obtenus avec les rapports des masses de fragments étalons correspondant aux composés qui sont couramment obtenus par dissociation d'un corps quelconque, et déterminer la masse M dudit corps en utilisant les rapports de fragments inconnus qui sont égaux à des rapports de fragments étalons. 2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ledit détecteur (26) détecte seulement les fragments inconnus pour lesquels la force électrostatique exercée dans ledit analyseur électrostatique (20) est équilibrée par la force centrifuge due à l'énergie qu'ils ont acquis par l'application de ladite différence de potentiel avant leur entrée dans ledit analyseur électrostatique. 3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit détecteur (26) permet de détecter les fragments de masse mi pour lesquels le rapport entre ladite masse ml et ladite masse moléculaire M est fonction du champ électrostatique Vael appliqué dans ledit analyseur électrostatique (20) selon l'équation : mi R Vaei i d VO dans laquelle R est le rayon moyen de la trajectoire suivie par les fragments dans ledit analyseur électrostatique, d est la distance séparant les deux électrodes dudit analyseur électrostatique et Vo est la différence de potentiel appliquée audits fragments inconnus 4. Méthode selon la revendication 3, dans laquelle l'étape de détermination de la masse moléculaire M dudit corps consiste, après avoir vérifié à l'étape de comparaison que le rapport des masses m, et mi due deux fragments inconnus est égal au rapport des masses mk et ml de deux fragments étalons, à calculer M par l'équation : M zizi Xi 5. Méthode selon la revendication 4, dans laquelle M est considéré comme étant la valeur de la masse moléculaire d'un constituant seulement si le résultat fourni par ladite étape de comparaison a permis de déterminer qu'une pluralité de rapports des masses de fragments inconnus étaient égaux respectivement à une pluralité de rapports des masses de fragments étalons et si ladite étape de détermination de la masse moléculaire permet de déterminer une même masse M pour chacun desdits rapports. 6. Méthode selon la revendication 5, dans laquelle les fragments ne sont pas pris en considération pour la détermination de la masse moléculaire M s'il n'existe pas une pluralité de rapports des masses de fragments inconnus égaux respectivement à une pluralité de rapports des masses de fragments étalons mais seulement des cas isolés d'égalité entre lesdits rapports. 7. Système de détermination de la masse moléculaire M d'au moins un composé chimique mettant en oeuvre les étapes de la méthode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu il comprend : - des moyens de calcul du rapport entre les masses de deux fragments inconnus dudit composé pour tous les couples possibles des masses desdits fragments, -des moyens de comparaison de chacun desdits rapports des masses -des moyens de détermination de la masse M dudit corps en utilisant les rapports de fragments inconnus qui sont égaux à des rapports de fragments étalons. 8. Programme d'ordinateur comprenant des instructions adaptées pour effectuer les étapes de la méthode selon l'une des revendications 1 à 6 lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.