[0001] La présente invention se rapporte aux techniques de détection de corps chimiques
de masses M
i connues à l'aide appareil d'ionisation, dissociation, filtration et détection qui
permet successivement la production d'ions des corps à détecter, leur dissociation
par chocs sur des molécules de gaz neutre et la recherche des fragments de dissociation
de masses m
i connues des corps de masses M
i à identifier.
[0002] Des appareils et procédés de détection de cette nature sont déjà connus et notamment
décrits dans la demande de brevet français n° EN 8715212 du 3 novembre 1987 au nom
du demandeur. Dans ce document, on enseigne à l'aide d'un appareil qui comporte une
source d'ions, une boîte de dissociation, un analyseur électrostatique, un analyseur
magnétique et un détecteur d'ions, une méthode permettant de déterminer la présence
dans une atmosphère à surveiller d'un corps chimique de masse M connue à partir de
l'examen de ses fragments de dissociation de masse également connue m₁, m₂,...m
p. Dans ses grandes lignes, la méthode consiste à identifier un corps recherché de
masse M par mise en évidence de l'existence dans l'atmosphère à surveiller d'un nombre
suffisamment important de ses fragments de dissociation et l'on parvient à ce résultat
en agissant à la fois sur la tension d'extraction des ions à la sortie de la source
d'ions et sur le niveau de filtration en énergie de l'analyseur électrostatique.
[0003] Le procédé ainsi décrit est satisfaisant, peut être automatisé à l'aide de moyens
informatiques mais il est relativement difficile à mettre en oeuvre avec des matériels
légers et facilement transportables tel qu'on peut en ressentir le besoin pour des
conditions d'application en campagne, en des sites éloignés de tout laboratoire.
[0004] Le demandeur a trouvé et c'est précisément l'objet de la présente demande, qu'il
était possible de simplifier à la fois l'appareillage préconisé dans ce document EN
8715217 ainsi qui la méthode elle-même d'emploi de cet appareil, tout en conservant
une qualité de résultat sinon équivalent du moins d'un très bon niveau.
[0005] La présente invention a donc pour objet un appareil et des procédés de détection
simplifiés par rapport à ceux du document précédemment rappelé, de mise en oeuvre
facile et conduisant à des résultats sûrs.
[0006] En ce qui concerne d'abord l'appareil, la présente demande préconise par rapport
à la solution de l'art antérieur rappelée précédemment, la suppression pure et simple
de l'analyseur électromagnétique, et en ce qui concerne les procédés de mise en oeuvre,
trois variantes possibles sont alors envisageables.
[0007] Dans la première variante de mise en oeuvre, l'invention a pour objet un procédé
de détection dans une atmosphère à surveiller d'un corps chimique de masse M connue,à
l'aide d'un appareil d'ionisation de cette atmosphère et de dissociation, filtration
et détection des ions formés, comportant, dans une enceinte sous vide et dans cet
ordre sur la trajectoire des ions :
- une source d'ions produisant à partir de l'atmosphère à analyser des ions du corps
de masse M et de charge unitaire
e sous la tension d'extraction V₀ à partir d'une atmosphère gazeuse à analyser,
- une boîte de dissociations portée au potentiel de la masse et remplie d'un gaz neutre
éventuellement chauffé à une température ϑ>30°C dans laquelle les ions du corps de
masse M se dissocient par chocs sur les molécules du gaz neutre en différents fragments
ioniques de charge unitaire
e et de masses connues m₁, m₂, ... m
k, caractéristiques du corps de masses M à identifier,
- un analyseur électrostatique (4) filtrant les ions d'énergie W, ce niveau d'énergie
W étant réglable,
- un détecteur (5) des ions ayant parcouru l'appareil précédent, caractérisé en ce
que :
- l'on fixe à une valeur constante la tension d'extraction V₀ des ions de la source
d'ions ;
- on fait varier le niveau énergétique W de filtration de l'analyseur électrostatique
de façon à déceler éventuellement dans le détecteur les fragments ioniques m₁,...m
k de dissociation du corps de masse M qui franchissent l'analyseur électrostatique
aux énergies (m₁/M)eV₀l=W₁, (m₂/M) eV₀=W₂... (mk/M) eV₀=Wk et permettent d'affirmer
que le corps de masse M se trouve dans l'atmosphère analysée.
[0008] Comme on vient de le voir, ce procédé consiste à effectuer le filtrage des fragments
de dissociation de masse m en faisant uniquement varier le niveau énergétique W de
filtration de l'analyseur électrostatique, la tension d'extraction V₀ des ions de
la source d'ions étant fixée à une valeur constante.
[0009] Dans un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, le procédé de détection dans
une atmosphère à surveiller d'un corps chimique de masse M connue, à l'aide d'un appareil
d'ionisation de cette atmosphère et de dissociation, filtration et détection des ions
formés comportant, dans une enceinte sous vide et dans cet ordre sur la trajectoire
des ions :
- une source d'ions produisant à partir de l'atmosphère à analyseur des ions du corps
de masse M et de charge unitaire e sous la tension d'extraction V₀ à partir d'une
atmosphère gazeuse à analyseur,
- une boîte de dissociation portée au potentiel de la masse et remplie d'un gaz neutre
éventuellement chauffé à une température ϑ>30°C dans laquelle les ions du corps de
masse M se dissocient par chocs sur les molécules du gaz neutre en différents fragments
ioniques de charge unitaire
e et de masses connues m₁, m₂,...m
k, caractéristiques du corps de masse M à identifier,
- un analyseur électrostatique filtrant les ions d'énergie W, ce niveau d'énergie
W étant réglable,
- un détecteur des ions ayant parcouru l'appareil précédent, se caractérise en ce
que :
- l'on fixe à une valeur constante W=eV
f l'énergie de filtration de l'analyseur électrostatique ;
- on fait varier la tension d'extraction V₀ et l'on recherche la présence dans le
détecteur d'un certain nombre au moins des fragments ioniques m₁,...m
k de dissociation du corps de masse M qui franchissent l'analyseur électrostatique
pour des valeurs V₀₁, V₀₂,...V
0k de la tension V₀ d'extraction telles que
eV₀₁(m₁/M)=eV
f
eV₀₂(m₂/M)=eV
f
eV
0k(m
k/M)=eV
f
et permettaient d'affirmer que le corps de masse M se trouve dans l'atmosphère analysée.
[0010] Comme on le voit, dans ce deuxième mode de mise en oeuvre, la filtration des composés
de dissociation de masse m est obtenue en faisant varier la tension V
O d'extraction des ions de la source d'ions et en fixant au contraire le seuil de filtration
W de l'énergie de filtration de l'analyseur électrostatique à une valeur constante.
[0011] Enfin, dans un troisième mode de mise en oeuvre qui est un perfectionnement du précédent,
on identifie le corps de masse M recherché par détermination précise de sa masse en
injectant dans la source d'ions, en même temps que l'atmosphère à analyseur, un corps
de référence de masse Mr connue, et donnant lieu à la formation de nombreux fragments
de dissociation identiques ou de mêmes masses que les fragments de dissociation m₁,
m₂,...m
k du corps de masse M recherché, la masse M étant calculée avec exactitude à partir
des tensions d'extraction V
0r (de référence) et V₀ (corps M) pour lesquelles deux fragments de dissociation de
même masse du corps de référence et du corps de masse M franchissent le filtre électrostatique,
en appliquant l'égalité Mr/M=V
0r/V₀ (corps M).
[0012] Cette troisième méthode de mise en oeuvre du même appareillage permet par conséquent,
lorsque la méthode précédente a permis d'obtenir une quasi certitude sur la présence
d'un composé de masse M dans l'atmosphère à surveiller, d'effectuer rigoureusement
et de façon précise le calcul de cette masse M rendant ainsi certaine son identification.
[0013] L'appareil d'ionisation, dissociation, filtration et détection des ions secondaires
formés, objet de l'invention, comprend pour l'essentiel, placés dans une enceinte
sous vide et dans cet ordre sur la trajectoire des ions : (voir fig. 1).
a) une source d'ions 1 produisant, à partir d'une conduite 2 en provenance de l'atmosphère
à surveiller, des ions du corps de masse M et de charge unitaire e sous la tension
d'extraction V₀,
b) une boîte de dissociation 3 portée à la masse et remplie d'un gaz neutre dans laquelle
les ions du corps de masse M se dissocient par choc sur les molécules du gaz neutre
en différents fragments de masses connues m₁, m₂,...mk, caractéristiques du corps de masse M à identifier et étant eux-mêmes ionisés.
c) un analyseur électrostatique 4 qui ne laisse passer que les ions d'énergie W déterminée,
ce niveau d'énergie W étant réglable et égal à
W=qe(Vp-Vn)
Vp et Vn étant les potentiels >O et <0 auxquels sont portées les deux armatures de l'analylseur,
d) un détecteur 5 des ions qui ont parcouru et traversé l'appareil précédent.
[0014] Bien entendu, pour pouvoir fonctionner, l'appareil précédent est situé dans une enceinte
sous vide schématisée en traits pointillés sous le référence 6.
[0015] Le vide est effectué dans l'enceinte 6 au moyen d'une pompe turbomoléculaire associée
à une pompe primaire à double étage. La boîte de collisions 3 qui sert de boîte de
dissociation est remplie d'un gaz neutre tel que par exemple l'argon ou le krypton
dans lequel le faisceau d'ions se dissocie partiellement, cette dissociation étant
comprise entre 1% et 15% suivant la nature des corps, la pression de travail et la
température du gaz cible.
[0016] Le faisceau d'ions secondaires de fragmentation est ensuite partiellement séparé
dans l'analyseur électrostatique 4 à un seuil d'énergie réglable en fonction des tensions
positives et négatives symétriques par rapport à la masse auxquelles sont portées
ces deux électrodes. Le détecteur 5 est constitué le plus souvent par un multiplicateur
d'électrons relié à un appareil de mesure si l'on travaille en analogique ou au contraire
par un compteur si l'on fait un simple comptage des ions à la sortie de l'analyseur
4.
[0017] Le fait que l'appareillage précédent qui permet la mise en oeuvre des différents
procédés objet de l'invention, travaille sans électroaimant à l'inverse des appareils
de l'art antérieur qui comportaient un séparateur électromagnétique, est une simplification
très importante notamment pour toutes les applications dans lesquelles l'appareil
doit être amovible et facilement transportable.
[0018] On va donner maintenant un exemple de mise en oeuvre des procédés objet de l'invention,
de nature à bien faire comprendre les avantages comparés des trois modes d'utilisation
possibles de la structure de l'appareil qui vient d'être décrit.
[0019] Cet exemple est donné à titre illustratif et non limitatif.
CAS 1
[0020] Ce premier cas permet d'illustrer le procédé de détection, objet de l'invention,
dans le cas où la tension d'extraction V₀ des ions de la source d'ions 1 étant fixée
à une valeur constante, on effectue la filtration et la sélection des fragments de
dissociation m par variation du niveau énergétique W de filtration de l'analyseur
électrostatique 4.
[0021] Dans ce premier cas, on cherche à détecter la présence d'un corps de masse M=126,
le méthyl éthylphosphorfluoridate de formule C₃H₈O₂FP.
[0022] Le spectre de masse de ce corps donne en particulier le pic moléculaire 126 à partir
duquel on a étudié les différents fragments obtenus par chocs ce qui donne les corps
de masses m = 98, 125, 96, 67, 68, 29, 32 qui sont les principaux fragments ; il en
existe d'autres connus de masses m = 27, 41, 47, 81, que l'on n'utilise pas ici.
[0023] On applique les premières méthodes en analysant par balayage dégressif de la tension
entre les bornes de l'analyseur caractéristique en partant de V
f = 8000 Volts, on filtre les énergies suivantes, en particulier :
W = 7936,5 eV correspondant à m₁=125 (m₁/M=0,99206)
W = 6221,6 eV correspondant à m₂= 92 (m₂/M=0,7777)
W = 6095,2 eV correspondant à m₃= 96 (m₃/M=0,7619)
W = 4318 eV correspondant à m₄= 68 (m₄/M=0,5397)
W = 4253,9 eV correspondant à m₅= 67 (m₅/M=0,5317)
W = 1969,3 ev correspondant à m₆= 31 (m₆/M=0,2460)
W = 1841,3 eV correspondant à m₇= 29 (m₇/M=0,2302)
W = 2031,7 eV correspondant à m₈= 32 (m₈/M=0,2540)
au lieu d'opérer par scanning au point fixe dans le programme, les énergies W filtrées
pour lesquelles il y aura une réponse et on le vérifie en mesurant les intensités
correspondantes.
CAS 2
[0024] Ce cas est relatif au procédé de détection selon l'invention dans lequel l'énergie
de filtration de l'analyseur électrostatique 4 étant fixé une value constante W=eV
f, c'est par variation de la tension d'extraction V₀ que l'on sélectionne les différents
ions fragmentaires de dissociation de masse m détectés dans le détecteur 5.
[0025] Le choix de cette méthode de travail dépend en général des cas particuliers que l'on
doit résoudre. En effet, comme eV₀(m/M)=eV
f, le recours à ce procédé est surtout intéressant lorsque la différence de potentiel
V
f n'est pas trop petite, ce qui suppose que le rapport m/M des ions recherchés ou des
énergies de filtration ne soit pas trop faible de façon à ce que la tension d'extraction
V₀ ne devienne pas trop grande et ne dépasse pas par exemple 10.000 volts.
[0026] Ce cas 2 concerne la recherche du même corps de masse M=126 que dans le cas 1 précédent.
On choisit :
eV
f = 2000 eV
et on obtient les tensions d'interactions suivantes pour obtenir successivement les
valeurs suivants de V₀ :
V₁(125)=2000/0,99206=2016 volts
V₂ (98)=2000/0,7778 =2571,4 volts
V₃ (96)=2000/0,7619 =2625,0 volts
V₄ (68)=2000/0,5397 =3705,0 volts
V₅ (67)=2000/0,5317 =3716,5 volts
V₆ (31)=2000/0,2460 =8130,1 volts
V₇ (29)=2000/0,2302 =8688,9 volts
V₈ (32)=2000/0,2540 =7874,0 volts
[0027] Les différents fragments de masses m
k sont extraits à des valeurs de V₀ suffisamment différentes pour que leur séparation
soit très facile.
[0028] On peut remarquer que le procédé peut être amélioré en prenant 2 valeurs pour eV
f par exemple, ici :
eV
f= 5000 eV pour m₁/M, m₂/M, m₃/M, m₄/M, m₅/M, puis
eV
f=2000 eV pour m₆/M, m₇/M,et m₈/M.
[0029] Si ces conditions sont réalisées, ce procédé est théoriquement beaucoup plus sensible
et précis que le précédent, car les variations de la tension d'extraction V₀ sont
inversement proportionnelles aux valeurs des rapports m/M pour chaque fragment de
dissociation. Comme ces rapports sont inférieurs à l'unité, le pouvoir séparateur
est supérieur car les grandeurs des tensions V₀ mesurées pour le même rapport m/M
entre le premier procédé et le second procédé sont proportionnelles à (M/m)².
[0030] L'appareil mis en oeuvre selon l'un des deux procédés précédents permet par conséquent
de définir avec une quasi certitude la présence d'un corps quelconque de masse connue
M dans l'atmosphère à condition que l'on connaisse précisément cette masse M, la formule
du corps et les masses m des principaux fragments de dissociation dus à la décomposition
par chocs dans la boîte de collision 3 des ions primaires M, c'est-à-dire en d'autres
termes, les valeurs des rapports m/M caractéristique du corps recherché.
[0031] C'est comme on l'a déjà expliqué, la présence d'un nombre suffisant de ces fragments
connus à la sortie de l'analyseur électrostatique 4 qui permet d'assurer que l'on
a détecté dans l'atmosphère à surveiller la présence du corps de masse moléculaire
M.
CAS 3
[0032] Dans le cas où l'on n'a pas dans le spectre de masse le pic moléculaire de masse
M, on prend comme référence un fragment de masse m élevée qui est à son tour, par
idssociation, à l'origine des fragments de dissociation de masse m plus faibles. Dans
ce cas 3 on cherche à séparer, c'est-à-dire à identifier, deux corps qui ont une formule
développée légèrement différente, mais une masse identique. Ces deux corps sont par
exemple :
D'une part l'isopropyl de méthylphonofluoridate de formule : C₄H₁₀O₂FP

de masse 140 qui n'a pas de pic moléculaire et dont les principaux pics de dissociation
ont pour masses m 99, 125, 81, 43, 41, 42, 39, 47, 27, 98.
et d'autre part l'éthyl-éthylphosphonofluoridate de formule :

[0033] Ces deux corps qui ont la même masse moléculaire 140 ont beaucoup de produits de
dissociation en commun. Cependant, le premier n'a pas les fragments de masse 113 qui
est le fragment de dissociation le plus important du deuxième corps, ni les fragments
de masse 95, 96, 112 et 111. Ces corps proviennent de la dissociation du pic 139 ou
du pic 125.
[0034] Le premier corps a par contre les pics 99 et 81 qui proviennent également de la dissociation
du pic de 125.
[0035] En travaillant sur le fragment de masse moléculaire 125 qui est un fragment de dissociation
commun aux deux corps, il suffit de prendre pour tension de filtration de l'analyseur
4, la valeur V
f=2000 volts pour obtenir pour les pics précédents des valeurs nettement séparées qui
permettant de reconnaître à coup sûr, soit la présence de l'un des deux corps, soit
leur présence simultanée.
[0036] Ce deuxième procédé de mise en oeuvre de l'appareil objet de l'invention présente
plusieurs avantages sur le premier, lequel consistait simplement à faire un échantillonnage
de la tension de l'analyseur électrostatique. En effet, on peut obtenir avec cette
méthode une intensité de filtration plus grande, c'est-à-dire une plus grande sensibilité
et il est plus facile d'autre part de déterminer avec précision la tension d'extraction
V₀ que la tension V
f entre les deux électrodes de l'analyseur électrostatique.
[0037] On est plus sûr de la précision de la mesure en ne faisant pas varier la tension
entre les électrodes de l'analyseur électrostatique.
CAS 4
[0038] Ce cas est relatif à la mise en oeuvre du procédé dans lequel on identifie avec certitude
le corps de masse m recherché par détermination précise de sa masse à l'aide de l'injection
d'un corps de référence de masse Mr connue dans le mélange à analyser.
[0039] A titre d'exemple, on prend le cas de deux corps qui donnent par dissociation deux
ions fragmentaires de masses très voisines telles que C₃H₇ de masse m=43,054 et C₂H₅N
de masse m=43,045. Or, il existe effectivement deux corps dont l'un, que l'on cherche
à identifier a une masse égale à 162,057 daltons qui donne parmi ses fragments de
dissociation l'ion C₂H₅N, de masse m = 43,045 et l'autre qui est le corps de comparaison
ou de référence, ici dans l'exemple particulier l'alcool isobutylique de masse M=74,072,
et parmi les fragments de dissociation duquel se trouve l'ion secondaire C₃H₇ de masse
43,054. L'alcool isobutylique donne comme fragments les plus importants les masses
m = 43, 31, 42, 41, 33, 27, 29, 39, 74.
[0040] En injectant simultanément ce corps de référence avec le corps dont on cherche la
présence dans l'atmosphère et dont on connaît la masse moléculaire M=162,057, on peut
séparer facilement ces deux composés puisque si l'on fixe toujours à 2000 volts la
valeur V
f de la tension entre les deux électrodes de l'analyseur électrostatique 4, le fragment
de masse 43,054 sera extrait pour une tension V₀=162,057/43,054 x 2000=7529,7 volts,
alors que l'autre fragment de masse 43,045 sera extrait pour une tension d'extraction
:
V₀=74,072/43,045 x 2000=3440,9 volts.
[0041] Bien qu'étant de masses pratiquement identiques, les deux fragments de dissociation
seront parfaitement séparés et permettront, si on les obtient effectivement tous les
deux simultanément, d'affirmer la présence du corps de masse M=162,057 daltons dans
l'atmosphère à analyser.
[0042] En effet,

[0043] Il est possible et intéressant dans certains cas de prendre deux corps de référence
simultanément.