La spectrométrie à temps de vol (TOF-MS, selon l'acronyme anglais ) est une méthode de spectrométrie de masse dans laquelle les ions sont accélérés par un champ électrique de valeur connue Stephens, W. E., A Pulsed Mass Spectrometer with Time Dispersion, Phys. Rev., 1946, 69, 691, . Il résulte de cette accélération que les ions de même charge électrique acquièrent la même quantité de mouvement. La vitesse des ions, par contre, dépend du rapport masse sur charge. On mesure le temps mis par une particule chargée pour atteindre un détecteur situé à une distance connue. Ce temps dépendra du rapport masse sur charge de la particule considérée. Ce sont les particules les plus lourdes qui seront accélérées aux vitesses les plus basses. La détermination du rapport masse sur charge découle de ce temps de vol et de la connaissance des autres paramètres expérimentaux comme la position du détecteur et la tension d'accélération.

Théorie L'énergie potentielle électrostatique d'une particule chargée dans un champ électrique est donnée par la relation

où E est l'énergie potentielle, q la charge électrique de la particule, et U est la différence de potentiel électrique ou tension d'accélération.

Quand la particule chargée est accélérée dans l'analyseur à temps de vol par la tension U, son énergie potentielle est transformée en énergie cinétique :

L'égalité des deux énergies données respectivement par les équations (1) et (2) rend compte du fait que l'énergie potentielle est convertie en énergie cinétique :

La vitesse d'une particule chargée après l'accélération reste constante dans la mesure où la particule évolue sur une certaine distance d dans un espace libre de champ. Comme on connait la distance d, la vitesse de la particule peut être déterminée dans la mesure où on sait mesurer le temps de vol t, ce qui implique que la mesure de l'arrivée de la particule sur le détecteur est synchronisée avec l'évènement qui a produit son départ.

Par conséquent

En introduisant l'expression de v de l'équation dans l'équation :

On arrange ensuite l'équation pour isoler le temps de vol :

Les différents facteurs du temps de vol ont été regroupés à dessein : contient des grandeurs qui restent en principe constantes lorsqu'un ensemble d'ions sont analysés à l'issue d'une même impulsion d'accélération. Par conséquent, l'équation peut s'écrire :

où k est une constante de proportionnalité caractéristique des facteurs instrumentaux.

L'équation montre plus clairement que le temps de vol d'un ion varie comme la racine carrée du rapport masse sur charge m/q.

Considérons l'exemple pratique d'un spectromètre MALDI-TOF utilisé pour produire le spectre de masse d'un peptidetryptique d'une protéine. Supposons que la masse atomique de ce peptide soit de (symbole Da). L'ionisation des peptides produite par MALDI donne typiquement des ions mono-chargés, c'est-à-dire que . Supposons que la tension d'accélération soit U = (, ou ). Et supposons enfin que la longueur de l'analyseur soit de , ce qui est typique pour ce genre d'instruments. D'après l'équation , tous les facteurs nécessaires pour calculer le temps de vol sont donc connus. Prenons le cas d'un ion dont la masse atomique est :

où est la masse du proton et est la charge électrique élémentaire. La valeur obtenue du temps de vol est donc en secondes :

soit environ . S'il s'était agi d'un ion peptide de , c'est-à-dire quatre fois plus que , le temps de vol aurait été le double, soit pour parcourir l'analyseur, car le temps de vol est proportionnel à la racine carrée du rapport masse sur charge.

Performances, aberrations et problèmes à résoudre Dans un spectromètre de masse à temps de vol comme dans tout spectromètre de masse, la résolution en masse sur wikipedia anglaise est une performance essentielle de l'instrument. La résolution en masse résulte de trois facteurs : l'incertitude sur le temps de départ qui résulte directement des performances de la source pulsée ; l'incertitude de mesure du temps d'arrivée, directement reliée aux performances du détecteur ; la dispersion du temps de vol proprement dit, pour un même rapport m/z (z désigne le nombre de charges élémentaires : 1, 2… De plus, il est commode d'exprimer m en daltons. De toute façon, le rapport m/z rend directement compte du rapport masse sur charge). Cette dispersion du temps de vol résulte à la fois de la dispersion énergétique générée par la source d'ions pulsée et des qualités de l'analyseur en termes d'optique des particules chargées.

Pour certains types de spectromètres à temps de vol, comme la sonde atomique, l'instrument réalise un transfert d'image en même temps qu'une mesure de temps de vol. Le champ imagé et la résolution spatiale sont des performances de l'appareil. Il va de soi que dans ce cas, le détecteur doit effectuer une mesure de position en même temps qu'une mesure de temps d'arrivée.

Dans les deux cas de résolution en masse et résolution spatiale, la théorie des aberrations en optique des particules chargées, élargie au temps de vol, est pertinente pour l'évaluation des performances.

La sensibilité est une performance importante comme dans tout appareil de mesure. La sensibilité résulte des performances du détecteur, de la capacité de la source à générer des quantités importantes d'ions et de la transmission de l'analyseur. Pour qu'une mesure de temps de vol puisse être faite, il faut nécessairement que le détecteur soit capable de compter les coups un par un. Il faut aussi qu'il soit capable de mesurer beaucoup de coups dans un petit intervalle de temps. La source d'ions doit générer un grand nombre de coups dans une même impulsion sans que ceci ne se fasse au détriment de la dispersion sur le temps de départ et sur la dispersion énergétique. Le rapport cyclique, c'est-à-dire la fréquence à laquelle peut être activée la source pulsée, contribue également à la sensibilité.

Il est souvent utile d'introduire des grilles dans l'analyseur afin de produire les gradients de potentiels nécessités par l'amélioration de la résolution en masse ou de la résolution spatiale. La contrepartie de l'introduction de ces grilles sur le parcours des ions est une perte de transparence, c'est-à-dire une des formes de la perte de transmission.

Réduction de la dispersion du temps de départ La dispersion du temps de départ étant produite au niveau de la source d'ions pulsée qui elle-même met en œuvre des phénomènes physiques distincts selon la technique d'analyse spécifique du spectromètre à temps de vol, il faut considérer les différentes techniques au cas par cas pour voir quelles sont les causes de la dispersion du temps de départ et quelle stratégie de compensation peut être considérée.

En MALDI-TOF, un laser est dirigé sur les cristaux du spot MALDI. Le spot absorbe l'énergie laser et il semble que la matrice soit ionisée en premier par ce phénomène et transfère ensuite une partie de sa charge aux molécules à étudier, les ionisant tout en les protégeant d'une énergie disruptive du laser. Le processus de mise en équilibre des ions dans la plume plasma produite par la désorption/ionisation dure approximativement ou moins après que la plupart des ions a quitté la surface avec une certaine vitesse moyenne qui ne dépend pas, à ce stade, de leurs masses respectives. Il en résulte une dispersion dans le temps de départ des ions. Pour compenser cette dispersion et ainsi améliorer la résolution en masse, il a été imaginé de retarder l'extraction des ions de la source vers l'analyseur de quelques centaines de nanosecondes, voire de quelques microsecondes. Cette technique est connue sous la terminologie anglaise de Wiley, W. C. ; MacLaren, I. H., Time-of-Flight Spectrometer with Improved Resolution, Rev. Sci. Instr., 1955, 26, 1150, pour l'ionisation d'un gaz, et d'« extraction retardée » V. S. Antonov, V. S. Letokhov et A. N. Shibanov (1980), Formation of molecular ions as a result of irradiation of the surface of molecular crystals, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz., 31, 471 ; JETP Lett., 31, 441. Brown, R. S. ; Lennon, J. J. (1995), Mass resolution improvement by incorporation of pulsed ion extraction in a matrix-assisted laser desorption/ionization linear time-of-flight mass spectrometer, Anal. Chem., 67, 1998-2003, pour la désorption/ionisation.

En TOF-SIMS, la source d'ions pulsée est un faisceau d'ions primaires de même espèce. L'impulsion est produite par un système classique d'effacement de faisceau ( en anglais), avec des plaques électrostatiques, mais de simples plaques ne peuvent pas produire une impulsion parfaitement instantanée à cause de la longueur des plaques qui n'est pas infiniment petite et du temps de transit dans l'espace de ces plaques qui n'est donc pas infiniment court. La solution est de disposer en amont des plaques d'effacement un autre système électrostatique de « compression » ( en anglais), synchronisé avec le signal appliqué sur les plaques d'effacement qui va regrouper les ions par paquet avant qu'ils n'arrivent dans la région des plaques.

Ce système de « compression » ne peut pas être appliqué à la sonde atomique où la source d'ions est une pointe, activée par une impulsion électrique comme pour le TOF-SIMS, mais où le champ électrique produit par l'impulsion électrique affectera tous les ions et pas seulement ceux d'une même espèce. Dans ce cas, toute solution de compression ne peut être qu'un compromis entre les différentes masses. Le laser picoseconde et surtout le laser femtoseconde s'est avéré être une alternative efficace à l'impulsion électrique.

Compensation de la dispersion en énergie : le réflectron

Dans la pratique, les phénomènes physiques qui produisent les ions peuvent aussi générer une certaine dispersion en énergie cinétique. Cette dispersion en énergie peut être corrigée avec un réflectron Mamyrin, B. A. ; Karataev, V. I. ; Shmikk, D. V. ; Zagulin, V. A. (1973), The mass-reflectron, a new nonmagnetic time-of-flight mass spectrometer with high resolution, Sov. Phys. JETP, 37, 45.Boris A. Mamyrin , Time-of-flight mass spectrometer, .. Le réflectron met en œuvre un champ électrique pour réfléchir le faisceau d'ions vers le détecteur. Les ions dotés de la plus grande énergie pénètrent plus profondément dans le réflectron, ce qui augmente la longueur effective de l'analyseur, alors que les ions de même rapport m/z mais moins énergétiques pénètrent moins profondément dans leur réflectron, c'est-à-dire que la longueur effective de l'analyseur sera moins grande pour les ions moins énergétiques. Cependant, comme à la sortie du réflectron, les ions retrouvent leurs vitesses initiales, il y aura, en aval du réflectron une position unique à laquelle la différence de longueur effective compense la dispersion énergétique. C'est à cette position, où la focalisation en énergie est réalisée, que l'on dispose le détecteur d'ions, typiquement une galette de microcanaux (ou, MCP, d'après l'acronyme anglais ).

Un avantage supplémentaire du réflectron est que les ions parcourent la longueur du réflectron à deux reprises, et à vitesse réduite, ce qui représente une augmentation de la longueur effective alors que la dimension de l'instrument n'est pas augmentée.

Amélioration du rapport cyclique : le TOF orthogonal