Qu’est-ce que la chromatographie en phase gazeuse – spectrométrie de masse (GC-MS) ?
La chromatographie en phase gazeuse – spectrométrie de masse (GC-MS, GCMS ou GC/MS) est une méthode d’analyse qui est utilisée pour déterminer la composition des substances dans un échantillon d’essai. Comme son nom l’indique, le système est composé d’un chromatographe en phase gazeuse pour séparer les substances (analytes) et d’un spectromètre de masse pour identifier ces analytes. Il s’agit de l’étalon-or de l’analyse dans de nombreux domaines tels que la criminalistique ou les études pétrochimiques, car la GC-MS permet une identification sans équivoque des substances.
La GC-MS est généralement associée à tout échantillon pouvant passer par un GC, ce qui signifie que les substances d’intérêt doivent être volatiles et généralement non endommagées par la chaleur (450C). En tant que telle, la GC-MS est généralement utilisée pour : l’analyse des pesticides, la satiété des aliments, la qualité des aliments, l’analyse environnementale (air, eau, sol), les études pétrochimiques, les applications médico-légales telles que la détection des drogues, les enquêtes sur les incendies criminels, les causes de décès ou les enquêtes toxicologiques. Plus récemment, la GC-MS a été largement utilisée en biochimie pour l’identification des métabolites (primaires ou secondaires), les études métabolomiques, la recherche sur les plantes et même l’archéologie et les études géologiques ! Ironie du sort, la GC-MS a même été utilisée pour étudier des échantillons provenant de Mars lors de missions de sondes depuis les années 1970 ! N’est-ce pas cool ?
Les systèmes GC-MS touchent presque tous les aspects de notre vie et les données de ces systèmes affectent directement les décisions concernant notre qualité de vie.
Les systèmes GC-MS sont-ils tous identiques ?
Non. Il existe deux grandes approches de la technologie GC-MS, soit les applications de routine, soit les applications non routinières. Pour les applications de routine, vous pouvez définir assez précisément ce que vous recherchez. C’est ce que nous appelons l’analyse des connaissances connues et inconnues. Pour les applications non routinières, vous avez tendance à rechercher des substances qui n’ont jamais été vues auparavant, qui ne sont pas attendues et/ou qui ne sont pas dans une bibliothèque de routine. Par exemple, on peut rechercher des drogues de rue ou de nouveaux produits dopants chez les athlètes. Il s’agit d’une analyse inconnu-inconnu et c’est l’analyse la plus complexe possible.
Connu-connu:
Essentiellement, vous avez soit une liste de cibles très définie et vous ne vous intéressez qu’à celles-ci (connu-connu). Vous ignorez toute autre substance qui pourrait être trouvée. Par exemple, vous fabriquez des parfums synthétiques et vous voulez savoir si l’usine de fabrication a produit le parfum selon votre recette. Comme vous connaissez la recette exacte et la production exacte, vous disposez d’une liste cible très précise (nombre de substances, identité exacte, pourcentage). Les systèmes typiquement utilisés ici sont les systèmes TOF-MS d’entrée de gamme, les systèmes Quadrupole-MS ou les systèmes MS/MS tels que les triples-quadrupoles (bien que rares en raison du coût).
Connaissances inconnues:
Dans ce cas, vous travaillez légèrement au-delà des connaissances connues. Essentiellement, les substances qui vous intéressent appartiennent à une liste beaucoup plus longue et peuvent être présentes ou non. Dans ce cas, vous ne savez pas exactement quelle substance vous recherchez mais vous savez qu’elle appartient à une certaine catégorie. Par exemple, dans le cas d’un parfum synthétique, vous pouvez chercher à savoir exactement quels sont les irritants cutanés susceptibles d’être présents. Vous disposez d’une liste des États-Unis ou de l’Union européenne indiquant les substances interdites et vous voulez vous assurer que ces substances ne sont pas présentes. Les systèmes typiques utilisés ici sont les systèmes TOF-MS d’entrée de gamme, les systèmes MS/MS tels que les systèmes triple-quadrupoles ou Quadrupole-MS bien qu’ils soient en train d’être remplacés par les systèmes TOF-MS en raison de leurs performances dans ce domaine.
Inconnus:
Dans ce dernier cas, vous cherchez une aiguille dans une botte de foin tout en ayant les yeux bandés et en ne sachant pas à quoi ressemble une aiguille. C’est pour cela que les systèmes GC-MS ont été conçus à l’origine, jusqu’à ce que des difficultés techniques obligent les fabricants à ne plus rêver aussi grand. Dans l’analyse à l’aveugle, vous n’avez aucune idée de la nature des analytes, de la catégorie à laquelle ils appartiennent ou même de leur présence. Cela signifie qu’il n’y a pas de bibliothèques auxquelles se référer et que le mieux que l’on puisse espérer est d’obtenir une séparation parfaite à partir du GC, suivie d’une mesure MS très précise pour vous donner des informations empiriques précises sur la molécule. C’est là que vous utiliserez des spectromètres de masse à haute résolution tels qu’un système HRTOF-MS.
Pourquoi la GC-MS est-elle si utile ?
La GC-MS a rapidement gagné en popularité au cours des dernières décennies car elle permet une identification assez précise des substances à l’état d’ultra-traces. La GC traditionnelle utilise des détecteurs « muets » qui permettent à l’utilisateur de déterminer qu’à un moment précis de l’analyse, une quantité X d’une substance est présente. Sur la base des conditions expérimentales, une assez bonne estimation de l’identité de cette substance est possible en utilisant le temps de rétention de cette substance. Cependant, dans de nombreux cas, plusieurs substances pourraient avoir le même temps de rétention, l’identification n’est donc pas garantie.
En utilisant un spectromètre de masse, il est possible pour l’analyste de référencer la sortie du spectromètre de masse avec une bibliothèque et ainsi utiliser non seulement le temps de rétention, mais aussi le spectre de masse à ce moment-là pour identifier la substance. Plus il y a de fragments présents dans un spectre de masse, meilleure sera l’identification.
Ceci est similaire à l’identification d’un suspect à partir d’une empreinte digitale. Plus il y a de caractéristiques uniques dans une empreinte digitale, plus nous sommes certains de pouvoir faire correspondre l’empreinte à notre point de référence.
La LC-MS n’est-elle pas plus puissante ? Ai-je besoin d’une LC-MS ?
La chromatographie liquide-spectrométrie de masse est une technique apparentée à la GC-MS. En raison de sa popularité actuelle, de nombreuses personnes pensent qu’elle est en train de remplacer la GC-MS. Cependant, c’est uniquement parce que les scientifiques ont tendance à devenir célèbres et/ou à gagner de l’argent lorsqu’ils publient ou présentent quelque chose de nouveau. Comme la LC-MS est une technique plus récente en général, il reste encore beaucoup à découvrir et donc plus de bruit est fait autour de la LC-MS.
Dans tout bon laboratoire, vous aurez à la fois un GC-MS et un LC-MS. Ce sont des systèmes complémentaires qui se chevauchent un peu. Par exemple, tout ce qui est volatile (par exemple, on peut le sentir) aura tendance à être fait par GC-MS alors que tout ce qui contient beaucoup de sucre aura tendance à être fait par LC-MS. C’est parce que les sucres ont tendance à brûler à haute température (faites un braai ou un barbecue avec des marinades à base de sucre et voyez ce qui arrive au gril).
Certaines substances comme les acides aminés peuvent être faites par les deux techniques mais sont retrouvées à des niveaux plus faibles par GC-MS. On peut dire la même chose des acides gras et autres acides organiques. Ces derniers semblent plus faciles à analyser par LC-MS, car vous pouvez injecter les échantillons directement, alors que par GC-MS, vous devez dériver les échantillons pour permettre aux substances d’entrer dans le GC. Mais la contrepartie est que la LC-MS a tendance à être 100 fois moins sensible que la GC-MS pour ces derniers.
La GC-MS est-elle « l’étalon-or » pour l’analyse ?
Alors que la GC-MS est considérée comme un « étalon-or » pour l’identification des substances, la réalité est légèrement plus conplexe. Si un GC-MS peut être utilisé pour effectuer un test 100 % spécifique afin d’identifier positivement la présence d’une substance particulière, certains critères doivent être gardés à l’esprit. Par exemple, si le GC-MS fonctionne en mode ions sélectionnés (SIM), le test est moins fiable. Il s’agit au mieux d’un test non spécifique qui pourrait suggérer statistiquement l’identité de la substance, bien que cela puisse conduire à une identification faussement positive. La bonne façon d’utiliser le GC-MS pour l’identification d’une substance, en particulier dans le domaine médico-légal, est d’effectuer une analyse par balayage complet. Avec la plupart des systèmes GC-MS, cela signifie que l’on sacrifie la sensibilité, en exigeant la présence d’une plus grande quantité de substance. Seuls les systèmes TOFMS permettent des analyses à balayage complet sans sacrifier la sensibilité.