L'ionisation DBDI : un pont entre la GC et la LC-MS Analyse des pesticides sans compromis : 687 pesticides en 15 minutes

Les méthodes GC-MS classiques atteignent leurs limites face à des matrices complexes et à des listes de composés de plus en plus longues. Une source d'ions basée sur la technologie DBDI génère des ions moléculaires intacts plutôt que des fragments, ouvrant ainsi la voie à des flux de travail simplifiés, à la confirmation par MS/MS et à des bibliothèques de spectres communes avec la LC-MS/MS.

La chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS) fait partie depuis des décennies des techniques standard utilisées pour l'analyse des résidus de pesticides. Ses atouts sont bien connus : une grande capacité de séparation, la reproductibilité, une quantification fiable et une vaste base de données grâce à des bibliothèques de spectres bien établies. On évoque toutefois moins souvent ce que la méthode d’ionisation dominante – l’ionisation par impact électronique (EI) – empêche systématiquement dans ce contexte.

Lorsque les spectres de fragments ne suffisent plus

Lors de l'ionisation par électrons (EI), les molécules de l'analyte sont exposées à des électrons à haute énergie. Il en résulte une fragmentation extensive : l'ion moléculaire intact est détruit, tandis qu'un motif de 10 à 20 pics de fragments subsiste dans la gamme des faibles masses. Dans des matrices pures à forte concentration, cela suffit. Dans des échantillons réels, tels que des extraits alimentaires, des matrices environnementales ou des matières agricoles complexes, ces ions fragmentés entrent en concurrence avec les signaux de la matrice dans les mêmes plages spectrales.

Conséquences : un travail d'analyse manuelle plus important pour l'identification des pics, une sélectivité limitée pour les concentrations à l'état de traces proches de la limite maximale de résidus (LMR). À cela s’ajoute le fait que les exigences réglementaires pour certaines substances imposent au moins deux points d’identification – en GC-EI, outre le chromatogramme, généralement via des ions fragmentaires caractéristiques en mode Selected Ion Monitoring (SIM). Si le mode SIM n’est pas possible ou n’est pas sans ambiguïté, un deuxième cycle de mesure sur une plateforme LC-MS/MS (chromatographie liquide-spectrométrie de masse) s’avère nécessaire : ce qui implique une nouvelle préparation d’échantillons, souvent fastidieuse à adapter – et qui, pour les analytes volatils ou thermolabiles, ne donne parfois aucun résultat exploitable, car ceux-ci ne peuvent tout simplement pas être ionisés dans les conditions d’ionisation par électrospray (ESI) habituellement associées à la LC-MS.

Résultat : deux écosystèmes d'appareils distincts, deux formats de bibliothèques spectrales et deux processus de développement de méthodes – ce qui double les efforts nécessaires en matière d'acquisition, de maintenance et de formation.

L'ionisation douce, un pont entre la GC et la LC

C'est précisément là qu'intervient une source d'ions basée sur la technologie DBDI. DBDI signifie « décharge à barrière diélectrique » : il s'agit d'un principe d'ionisation qui ionise les analytes de manière douce et réduit ainsi leur fragmentation. Il en résulte des spectres dominés par des ions moléculaires et quasi-moléculaires intacts : principalement [M+H]⁺ et [M]⁺. Alors que la technique EI répartit l’intensité du signal sur 10 à 20 pics de fragmentation, la source d’ions DBDI concentre le signal sur une ou deux espèces ioniques dominantes.

Plasmion a commercialisé cette technologie sous le nom de Sicrit. Un avantage architectural décisif : grâce à des modules de couplage dédiés, une même source d’ions peut, au choix, associer une séparation par GC ou par LC au même spectromètre de masse. Les mesures par GC et par LC continuent de s'effectuer sous forme de cycles distincts, mais partagent la même chimie ionique, la même bibliothèque spectrale et le même flux de travail de confirmation. De plus, la source d’ions peut ioniser aussi bien des composants polaires que non polaires, estompant ainsi quelque peu la frontière traditionnelle entre l’analyse par GC et celle par LC. Elle n’est pas liée à un fabricant d’appareils en particulier, mais peut être combinée avec tous les systèmes de chromatographie disponibles dans le commerce (GC, LC, SFC) et un spectromètre de masse à pression atmosphérique.

Seuils réglementaires de détection en mode « Full Scan »

Le fait que la source d’ions fournisse des ions moléculaires intacts et puisse être combinée avec les deux plateformes de séparation constitue la base technique ; cependant, la question décisive pour une utilisation en laboratoire est la suivante : la sensibilité est-elle suffisante pour respecter les limites de détection (LOD) requises par la réglementation ? Les LOD pour les pesticides doivent être égales ou inférieures à la limite maximale standard de l’UE fixée à 10 ppb, idéalement sans avoir à recourir à des modes d’acquisition ciblés tels que le SIM ou le Multiple Reaction Monitoring (MRM).

Dans le cadre d'une étude réalisée à l'aide d'un système GC-DBDI-LC-QTOF, 74 pesticides issus de trois étalons multirésidus ont été analysés sur une plage d'étalonnage à cinq points comprise entre 1 ppb et 1 ppm. Les limites de détection (LOD) ont été calculées selon la méthodologie de la Commission européenne (3,9 × Sb / pente ; Sb = écart-type). Toutes les mesures ont été réalisées en mode Full-Scan-MS¹ – sans SIM, sans MRM et sans optimisation spécifique aux composés.

Résultat : 70 des 74 composés ont atteint des limites de détection (LOD) inférieures à la valeur maximale standard de l'UE, fixée à 10 ppb. Les courbes d'étalonnage ont montré une forte linéarité pour les trois étalons. Atteindre des limites de détection pertinentes sur le plan réglementaire en mode « full scan » non ciblé n’est pas une mince affaire : cela démontre le potentiel d’optimisation de cette méthode pour une utilisation ciblée avec d’autres modes (SIM, MRM) ou, de manière générale, sur des systèmes à triple quadripôle (MRM).

Confirmation par MS/MS directement à partir du cycle GC

Une sensibilité suffisante est la première condition préalable à une utilisation réglementaire ; la seconde est l’identification sans équivoque d’un résultat positif. C’est précisément là qu’apparaît un autre avantage des ions précurseurs intacts : la présence d’un ion précurseur [M+H]⁺ dominant simplifie considérablement le processus de confirmation. L’acquisition dépendante des données (DDA) peut déclencher automatiquement la fragmentation par dissociation induite par collision (CID) pour les composés d’intérêt. Les spectres MS² qui en résultent proviennent d’un ion précurseur clairement défini, sous des énergies de collision contrôlées – le même cadre expérimental que pour la confirmation par LC-MS/MS.

Les ions précurseurs générés étant chimiquement équivalents à ceux produits par l'ESI, les spectres MS² issus d'acquisitions GC-DBDI peuvent être directement comparés aux bibliothèques de spectres LC-MS/MS existantes, sans conversion ni ajustement. Pour le diazinon, par exemple, le spectre MS² correspondait à l'entrée de la bibliothèque LC-MS/MS de Shimadzu en tant que meilleur résultat.

Couverture du laboratoire de chimie

Une fois la sensibilité et la capacité de validation démontrées sur un petit ensemble de composés, la question s’est posée de savoir dans quelle mesure cette approche pouvait être transposée à plus grande échelle – et quelle part de l’espace des composés concernés une seule méthode pouvait réellement couvrir. Les méthodes GC et LC ont traditionnellement réparti cet espace en fonction des propriétés chimiques : les composés non polaires volatils et semi-volatils sont analysés par GC, tandis que les composés polaires et thermolabiles le sont par LC. De nombreuses listes de pesticides contiennent des composés issus de ces deux catégories – et aucune plateforme conventionnelle unique ne couvre les deux.

Cette question a notamment fait l'objet d'une étude menée dans le cadre d'un projet de thèse à l'Université technique de Munich, à l'aide du même dispositif GC-DBDI-LC-QTOF. Dans ce cadre, 687 pesticides – appartenant à des classes de composés compatibles aussi bien avec la GC qu’avec la LC – ont été analysés, dont 99,1 % ont pu être détectés dès un premier essai sans optimisation. Fait remarquable : même les composés classiquement adaptés à la LC ont été mesurés par séparation GC sans aucune dérivatisation – ce qui est possible car l’ionisation DBDI n’est pas limitée aux analytes polaires ou non polaires. La plage dynamique linéaire dépassait trois ordres de grandeur, et la sensibilité respectait les seuils LMR de l’UE pour tous les composés détectés. L’utilisation d’hydrogène à la place de l’hélium comme gaz vecteur a permis de réduire le temps de course d’environ 40 %, le ramenant à 15 minutes, tout en conservant la même résolution chromatographique et sans impact négatif sur les performances de la spectrométrie de masse (MS) ou la qualité des spectres.

Ce que cela implique dans le quotidien du laboratoire

Les avantages analytiques ont une incidence directe sur l'infrastructure. Un laboratoire classique qui utilise la GC-MS et la LC-MS comme des plateformes distinctes gère deux écosystèmes d'appareils indépendants : deux spectromètres de masse, deux sources d'ionisation, deux formats de bibliothèques spectrales, deux processus de développement de méthodes.

Grâce à une source d'ions commune pour la GC et la LC, ces deux méthodes de séparation partagent la même chimie ionique, la même bibliothèque de spectres et le même flux de travail de confirmation. Le GC-EI et le LC-ESI ne deviennent pas pour autant obsolètes : il y aura toujours des applications nécessitant spécifiquement des profils de fragments EI pour l’identification, ou l’ESI pour les composés qui ne supportent pas une séparation par GC. Ce qui émerge, c’est une troisième catégorie : les applications dans lesquelles une seule approche d’ionisation couvre les deux domaines de composés sur une plateforme MS unifiée.

C'est précisément pour cette troisième catégorie que les efforts décrits au début en matière d'infrastructure et de processus sont sensiblement réduits : une seule plateforme d'appareils au lieu de deux, une bibliothèque de spectres commune, moins de doublons dans le développement des méthodes, ainsi que des coûts de maintenance et de formation réduits.

Conclusion

L'ionisation douce, associée à la GC, ne se contente pas d'améliorer la qualité des spectres : elle ouvre la voie à un flux de travail analytique radicalement différent. La source d’ions basée sur la technologie DBDI génère des spectres dominés par des ions moléculaires et quasi-moléculaires intacts, avec des limites de détection qui surpassent même celles des méthodes GC-MS existantes pour de nombreuses substances, et permet une confirmation par MS/MS grâce à la comparaison directe avec des bibliothèques LC-MS/MS. Pour les laboratoires qui, jusqu’à présent, utilisaient la GC-MS et la LC-MS comme deux domaines distincts, la technologie DBDI offre ainsi un moyen de faire tomber cette barrière sans renoncer à la profondeur analytique de l’une ou l’autre de ces méthodes.