Chimie organique
La spectrométrie de masse joue un rôle essentiel en chimie organique. Son utilité dans l’analyse chimique a été abordée précédemment lors de la description des techniques expérimentales appropriées. Les mêmes techniques peuvent être utilisées pour déterminer la structure de molécules compliquées, mais les mesures à haute résolution ont peut-être encore plus de valeur pour un tel travail.
Avec un spectromètre de masse à haute résolution, il est possible d’effectuer des mesures de masse sur l’ion moléculaire (ou tout autre ion dans le spectre) avec une précision d’environ une partie sur un million. Cette masse fournit le meilleur indice pour déterminer les formules ioniques. Les masses exactes des ions C6H12+ et C4H4O2+ sont, par exemple, respectivement de 84,0939 et 84,0211, et ces ions peuvent facilement être distingués uniquement sur la base de leurs masses. Une fois la formule moléculaire connue, il est possible de déduire le nombre total de cycles et de doubles liaisons qui composent la structure moléculaire et de commencer à spéculer sur les formules structurelles possibles. Afin de déduire les formules structurelles à partir des formules moléculaires, il est essentiel d’étudier les ions fragmentés dans le spectre de masse. Il n’est pas encore possible de prédire définitivement les schémas de fragmentation des molécules organiques, mais de nombreuses règles semi-empiriques de fragmentation sont connues, et il est généralement possible de repérer dans le spectre des pics caractéristiques de groupes chimiques particuliers. Cette technique est précieuse dans la mesure où il n’est généralement pas nécessaire de connaître les détails de la composition du composé inconnu pour en déduire une structure complète ou partielle. Seule une petite quantité de composé, une centaine de microgrammes ou moins, est nécessaire pour une analyse.
En utilisant un ordinateur couplé à un spectromètre de masse à haute résolution, environ 1 000 pics de masse par minute peuvent être tracés à un pouvoir de résolution allant jusqu’à 20 000, des mesures précises peuvent être effectuées sur chaque pic, et les hauteurs de pic et les compositions ioniques peuvent être imprimées sous la forme d’une « carte des éléments » pour aider à l’interprétation du spectre. Il est également possible pour l’ordinateur d’effectuer un grand nombre des étapes logiques de réduction des données qui conduisent à l’élucidation structurelle.
Un échantillonnage continu des matériaux contenus dans une cuve de réaction, suivi d’une analyse avec un spectromètre de masse, a été utilisé pour identifier et mesurer la quantité d’espèces intermédiaires formées pendant une réaction en fonction du temps. Ce type d’analyse est important, à la fois pour suggérer le mécanisme par lequel la réaction globale a lieu et pour permettre de résoudre la cinétique détaillée des réactions.
Le marquage isotopique est largement utilisé dans ces études. Il peut indiquer quels atomes particuliers sont impliqués dans la réaction ; dans les réactions de réarrangement, il peut montrer si un processus intramoléculaire ou intermoléculaire est impliqué ; dans les réactions d’échange, il peut montrer que des atomes particuliers, par exemple d’hydrogène, s’échangent entre les espèces qui réagissent. Le marquage est également largement utilisé dans la recherche en spectrométrie de masse pour donner des informations sur les réactions de fragmentation qui se produisent dans le spectromètre de masse.
Les champs d’investigation qui emploient la spectrométrie de masse comprennent les études sur la structure des protéines, le métabolisme des médicaments, la saveur et l’odeur, le pétrole et les produits pétrochimiques, les fossiles organiques, les maladies métaboliques héréditaires, les atmosphères et les gaz respiratoires, et de nombreux autres sujets hautement spécialisés.