Spa$alisa$on  de  l’orbitrap,  cœur  d’une  nouvelle  généra$on  d’instruments  de  spectrométrie  de  

masse  très  haute  résolu$on    

Christelle  Briois,  LPC2E  Hervé  CoBn,  LISA  

Cécile  Engrand,  CSNSM  Cyril  Szopa,  LATMOS  Roland  Thissen,  IPAG  

et  le  Consor$um  Orbitrap  Spa$al,  France    

Présenté  par  Jean-­‐Pierre  Lebreton,  LPC2E      

26/03/13   1ère  Journée  ESEP:  Orbitrap   1  

Historique  Orbitrap  spa$al  •  Orbitrap  “inventé”  en  2000;  A.  Makarov,  Electrosta$c  axially  harmonic  

orbital  trapping:  a  high-­‐  performance  technique  of  mass  analysis,  Analy$cal  Chemistry  72  (2000)  1156–1162.  Good  Review:  E.  Denisov  et  al.,  Interna$onal  Journal  of  Mass  Spectrometry  325–327  (2012)  80–85    

•  Programme  de  spa$alisa$on  en  cours  depuis  2009  (à  l’ini$a$ve  de  R.  Thissen,  IPAG)  

•  Consor$um  de  5  labos  formé  à  par$r  de  2009  •  Concepts  d’instruments    étudiés  dans  le  cadre  des  pré-­‐

études  d’instruments  (missions  CV  ESA):  –  ILMA  (Marco-­‐Polo,  et  Marco-­‐Polo-­‐R)  –  SUDA/DOTS  (EJSM,  proposi$on  JUICE)  

•  Technologie  pas  assez  mature:  recentrage,  en  2013,  de  la  R&T  sur  éléments  cœur  à  la  base  des  instruments  futurs;  ré-­‐organisa$on  du  consor$um  en  cours  

26/03/13   1ère  Journée  ESEP:  Orbitrap   2  

Illustra$on  des  avantages  de  la  SM  Haute  Résolu$on  

•  Excellent  ou$l  pour  analyse  in  situ  de  la  composi$on  chimique  de  mélanges  complexes  à  la  surface,  dans  l’atmosphère  ou  en  orbite  

•  Determina$on  de  la  formule  chimique  des  molécules  ionisées  de  façon  univoque  même  à  des  masses  élevées  

   100  

80  

60  

40  

20  

0  262.25  262.20  262.15  262.10  262.05  262.00   262.30  

M/ΔM  ≈  3  000    M/ΔM    =  2000  Meilleure  rés.  d’un  MS  d’analyse  De  poussières  (COSIMA)  

262.35  0  80  

60  

40  

20  

0  262.30  262.25  262.20  262.15  262.10  262.05  

M/ΔM  ≈  10  000    M/ΔM    =  7000  Meilleure  rés  d’un  MS  d’analyse  de  gaz  (ROSINA)        

100  

262.00  

100  

80  

60  

40  

20  

0  262.30  262.25  262.20  262.15  262.10  262.05  262.00  

M/ΔM  >  60  000  C9H16N7

C11H20N5

ISOTOPES

C7H12N9

Avec  LTQ-­‐Orbitrap  

26/03/13   1ère  Journée  ESEP:  Orbitrap   3  

Instrument  spa$al  de  spéctrométrie  de  masse  Haute  Résolu$on  

•  Résolu$on  en  masse:  état  de  l’art    – Rosera/  ROSINA:  M/DM  7000  – Rosera/  COSIMA:  M/DM:  2000-­‐3000  – Cassini/CDA:  M/DM  :  20  

•  Résolu$on  en  masse:  Orbitrap  –  Instrument  commercial:  400  000  – Labo:  106  – Objec$f  Instrument  Spa$al:  50  000  à  100  000  

26/03/13   1ère  Journée  ESEP:  Orbitrap   4  

Principe  d’un  instrument  spa$al  basé  sur  l’Orbitrap  

(  Orbitrap  =  CCD  d’une  caméra)  

échan$llon  (Gaz,  Aérosol,  Poussière)  

Ionisa$on  

Op$que  ionique  

Focalisa$on  des  Ions  

Injec$on  pulsée  

Piègeage  Analyseur  en  

Masse  Détec$on  

Numérisa$on  du  signal  

et  traitement  FFT  

26/03/13   1ère  Journée  ESEP:  Orbitrap   5  

Qu’est ce que l’orbitrap ?

zmk/

=ω

Enregistre  le  mouvement  des  ions  durant    t  >  500  ms  P  :  10-­‐9  mbar  

Echan'llon   Source  d’ions   Analyseur  en  masse   Détecteur   Analyse  des  données  

Piège  les  ions  pulsés  dans  un  champ  électrosta$que  quadro-­‐logarithmique  

Piège  à  ions  electrosta$que  à  transformée  de  Fourier  

oscillateur  harmonique  

26/03/13 1ère Journée ESEP: Orbitrap 6

Comment injecter et stabiliser les ions?

(r,φ) (r,z)

•   Un  paquet  d’ions  pénètre  tangen$ellement  dans  le  champ  •   Le  rayon  de  l’orbite  des  ions  est  réduit  par  la  varia$on  de  poten$el    de  l’électrode  centrale  

Besoin  de  pulser  les  ions  pendant  l’injec$on  dans  le  piège!  

Varia$on  de  la  HT  pendant  l’injec$on.  HT  très  stable  durant  la  mesure  (1s)!  

26/03/13 1ère Journée ESEP: Orbitrap 7

6    

Version spatialisée d’un orbitrap : prototype LPC2E

•   Consor$um  de  5  laboratoires  français    •   R&T  en  cours  financée  par  le  CNES    •   Collabora$on  avec  l’inventeur  du  concept  (A.  Makarov/  ThermoFisher  Scien$fic)    •   Accord  de  confiden$alité  (NDA)  entre  ThermoFisher  Scien$fic  et  l’équipe  

Makarov  2000  Orbitrap

UV Laser N2 337 nm

Optique ionique

Echantillon

Inner electrode

Signal FFT Spectre

Outer electrode

Outer electrode

3 000 V

0 V

r z

Prototype  de  laboratoire  du  LPC2E  

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Performances  de  l’Orbitrap  (*)  •  Résolu$on  >  1  000  000  @  400  Da  •  Dynamique  de  détec$on  ~  50  000  •  Gamme  de  masse  :  de  M  à  50  ×  M  •  Limite  basse  de  détec$on  :  5.5  charges  •  Limite  haute  ~  107  ions  

(*)  Données  fournies  par  Makarov  

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Que  faut  il  pour  que  cela  marche  ?  

26/03/13   1ère  Journée  ESEP:  Orbitrap  

Vide  poussé    :        <  10-­‐9  mbar  HT  pulsée,  ultrastable  pendant  la  mesure  :    ~  10  mV  à  3.5  kV  Énergé$que  des  ions        ~  1.2  keV    focalisa$on  des  ions  :        ~  1  mm²    Angle  d’ouverture  à    l’injec$on  :      +/-­‐  2.1°    Injec$on  pulsée  :    pour  ions  de  masse  100    ~  150  ns  Rampe  de  capture  :  limite  la  gamme  de  masse    ~  40  µs,    

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•  La  trappe  •  Obten$on  d’une  garan$e  de  livraison  Thermo  Fisher  •  Spa$alisa$on  de  la  cellule  (méca,  thermique)  

•  Le  préamplificateur  •  Gamme:  20-­‐6000  kHz  •  Sensibilité:  qq  nV/√Hz  •  Blindage  (EMC)  

•  L’alimenta'on  HT  pulsée  et  stabilisée  •  R&T  2012  pilotée  par  CNES  •  Livraison  breadboard  à  venir  •  MàJ  du  cahier  des  charges  pour  TRL5  (si  besoin)  •  Objec$f:  Carte  HT  au  niveau  TRL  5  en  2014  

•  Op'que  Ionique  (besoin  specifique  pour  chaque  applica$on)  

 

Objec'f  2013-­‐2014  :  Avancer  le  niveau    TRL  (objec'f  TRL5)  sur  les  éléments  hardware  du  «  cœur  »  

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