Mass Spectrometry in the Chemistry Department; a Brief History 1964-2000

Le laboratoire fut fondé en printemps de 1964, lorsque le département a obtenu une subvention de $ 56 000 provenant du CNRC (l’agence qui fournissait les bourses de recherche canadienne à l’époque) pour acheter leur premier spectromètre de masse (SM) analytique.  La subvention a été annoncée lors d'une réunion du personnel par le directeur, le professeur Keith Laidler, mais personne a montré un grand intérêt à entreprendre la tâche de sélectionner,  de maintenir et faire fonctionner l'instrument et de fournir des spectres de masse pour tous les intéressés. Dans le cas, John Holmes s’est porté volontaire pour prendre la responsabilité et, avec Fred Lossing, a visité l'usine de Perkin-Elmer à Norwalk, Connecticut. Fred a apprécié le RMU-6D et alors les deux commandes ont été passées. (Il convient de rappeler que Fred Lossing a été un pionnier dans la chimie des ions en phase gazeuse, sa spécialité étant la mesure précise des énergies d’ionisation de petites molécules. En particulier les radicaux libres générés thermiquement. Il cherchait un SM de routine pour garder les chimistes organiques du CNRC content.)

Fred Lossing assis sur une chaise
Fred Lossing, ca. 1982

Le RMU-6D a été installé en novembre cette année. Celui-ci est un bon instrument à secteur magnétique avec simple mise au point; toute l’électronique dépendait des tubes à vide et le potentiel d’accélération d’ions a été de 3000V. A cause des tubes à vides il fallait se méfier des potentiels résiduels lors des réparations routinières puisque les condenseurs  conservaient leur charge. Il devrait donc être mis à la terre avant d’y toucher. Le vide a été réalisé au moyen de pièges à froid d’azote liquide (en ces jours fournis gratuitement par le CNRC) attachés aux pompes à diffusion d’huile. La source d'ions à bombardement électronique était simple à maintenir, même si des compétences de soufflage du verre ont été nécessaires pour remplacer le filament. Un ajout spécial était une paire de plaques réflectrices d'ions dans la source ; ceux-ci permettaient la modification du temps de séjour dans la source ainsi que l'optimisation de l'intensité du faisceau d’ions, une très bonne fonctionnalité manquant dans tous les instruments ultérieurs. Des échantillons solides, liquides et gazeux pourraient être introduits sans difficulté. C’est lors d’une longue journée que la résolution de masse était suffisante pour séparer de justesse CO+•, HCNH+, N2+• et C2H4+•. La portée de masse était de 1000 a.m.u. Les spectres de masse (MS) ont été enregistrées par un " Visicorder ", dans lequel quatre galvanomètres à point ( sensibilités 1 : 3 : 10 : 30 ) projetaient leur faisceau sur du papier sensible à la lumière UV , qui ensuite était développé à l'exposition de la lumière de la pièce .

RMU-6D instrument
Hitachi Perkin-Elmer RMU-6D, ca. 1968

La spécialisation en recherche jusque-là de Holmes était  les réactions radicalaires et atomiques libres en phase gazeuse dans les réactions de pyrolyse et photochimiques et ainsi que l'interprétation de spectres de masse qui n'a pas été de grand intérêt scientifique. Notez que le premier livre sérieux au sujet de l'interprétation (et la rationalisation) de spectres de masse, par Fred McLafferty, n’est  apparu qu'en 1966 , et les premières revues scientifiques consacré à la spectrométrie de masse  ont seulement apparu en 1968 --- " The International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics "et" Organic Mass Spectrometry " ---- suite  à des propositions cet été à une réunion internationale à Berlin .

L'interprétation des spectres de masse était basée sur les mécanismes de réaction prises à partir de la chimie organique (neutre) classique, et les régimes de fragmentation complexes qui sont apparus dans des publications MS étaient ingénieux, mais totalement imaginaire. Le problème fondamental est que les innombrables structures non conventionnelles stables d'ions que nous acceptons aujourd'hui (2015) n’ont pas encore été découverts, notamment parce que leurs homologues neutres étaient instable ou inconnu et donc inaccessible à des expériences directes. Une grande partie de la recherche dans le laboratoire MS a été de découvrir des méthodes pour déterminer à la fois les structures  et les valeurs énergétiques des ions en phase gazeuse.

Le fait que le sujet nécessitait  d’importantes nouvelles idées est bien illustré par les deux premières observations : - du 2,3,4-trimethlypentane ionisé forme des intenses fragments ioniques  de C4H9et C4H7+, et le benzène ionisé perd un radical CH3 --- inexplicable par des mécanismes réactionnels classiques .

En 1968, un peu par hasard (spectres de masse des échantillons venant du Royaume-Uni), Holmes a noté que les ions moléculaires de nombreux acides dicarboxyliques perdaient CO2, mais d'une manière dépendante de la position et l'orientation des groupes carboxyliques. L’étiquetage isotopique à deutérium  a été facilement réalisé par échange avec D2O et certains mécanismes de fragmentation nouveaux ont été démêlés. Notez que, entre autres, l'acide benzoïque (OD) a été représenté à perdre les radicaux OH et OD dans un rapport de 2 : 1 , en montrant que le H de l’acide carboxylique et (par étiquetage supplémentaire) les deux atomes d'ortho -H est devenu équilibrée avant que l'ion se dissocie. Encore plus complexe, les fragments du cation t-butyle, (CH3)313C+  avec une perte de 13CHainsi que CH4, dans le rapport statistique de 1 : 3 .

Une grande partie de cette recherche impliquait l'observation des pics d'ions métastables, ces signaux diffus qui apparaissent en masse non essentiel dans les enregistrements d'instruments à secteur simples. Ces signaux diffus proviennent d’ions qui se dissocient dans les régions sans champs électromagnétiques de la MS. Leurs formes naissent de la libération de l'énergie interne des ions dans  des degrés de liberté de translation. Ces formes complexes (profils) reflètent les surfaces d'énergies potentielles sur laquelle le fragment d'ions et ceux-ci, à son tour, se rapportent à les structures des ions. Un exemple notable est le pic crénelé qui accompagne la perte de H2 venant des cations C3H5+, qui montre la génération d’isomères de C3H3+, les cations de propargyle et cyclopropényle.

Ernie Mills dans le laboratoire
Ernie Mills après qu'il a produit une résolution de 180 000 sur le MS902S, 1972

Un AEI MS902S instrument à double focalisation et haute résolution MS a été obtenu sous forme d'une subvention du CRSNG de $ 130 000 en 1972. La principal raison pour son acquisition était de fournir des déterminations de masse précises pour les chimistes organiques, pour montrer que leurs produits soigneusement isolées (parfois) eu la bonne formule moléculaire. Il a été installé dans le Pavillon Marion (à travers les fenêtres du laboratoire) sur une brame d'acier et de ciment monté sur beignes en caoutchouc gonflables pour fournir un support exempt de vibrations, sur lequel l'instrument pourrait être secoué doucement, avec une fréquence naturelle de 0.5 Hz. Son pouvoir de résolution initial était un superbe 180 000, tel que démontré par l'ingénieur d'installation, Ernie Mills. Quoi qu'il a rapidement été détérioré à 30 000 lorsque l'usure normale a pris effet. Dans cet instrument, l'électronique était également toujours contrôlée par des tubes à vides et le potentiel du secteur électrique a été maintenu par les grandes piles sèches et encore, lors de l'entretien de l'appareil, un grand soin a été nécessaire pour éviter tout potentiel d'accélération (résiduel) de 8000V. Cette MS a également permis la séparation des résolutions fines des pics métastables d'ions venant de la MS normales , et la recherche avec Hans Terlouw (lors d’un congé d'un an de l’Université d'Utrecht ) , a permis de distinguer clairement entre les isomères d’ions C2H4O+• , l'acétaldéhyde (A) , l'alcool vinylique ( V ) et oxirane , comme ions moléculaires  ainsi qu’ions de produits dans un ms . (donc, par exemple, le 2- propanol  ionisé a donner un mélange d'ions isobares A et V via deux pistes de pertes de CH4 , des éliminations 1,2 compétitif) . L'étude des propriétés des ions métastables occupera plusieurs années bien remplies. Pour un examen des progrès réalisés, voir Org. Mass Spectrom. 15 , 383-396 , (1980). Cette heureuse collaboration avec Hans poursuivra pendant les 40 prochaines années et nous avons partagé quelque 70 publications conjointes.

En 1980, Fred Lossing pris sa retraite du CNRC et nous a transporté son précieux mono – chromateur électronique à notre laboratoire à l'arrière d'un camion ouvert, et a été installé pour lui dans une petite pièce attenante. Fred interagit étroitement avec les étudiants chercheurs et chercheurs invités et de nombreuses heures ont été consacré à la discussion les subtilités de structures d'ions et leur thermochimie, et aussi guérir les maux du monde. Fred est resté avec nous pendant les 15 prochaines années et la collaboration très stimulant produit quelque 35 publications conjointes.

En 1982, une proposition au CRSNG pour un Centre de MS à l'Université d'Ottawa a été entièrement financé ($ 680 000) et le laboratoire a rapidement élargi pour accueillir une VG 7070 (EB) MS analytique à résolution moyenne et un ZAB-2F à  géométrie inversée, BE. Un instrument de polyvalence exceptionnelle. Une subvention d'infrastructure et de soutien pour les travaux d'entretien des deux universités d'Ottawa (à 24000 $ chacun, pa) et le CNRC, ont assuré un bon départ à une période très productive de la recherche et une expansion considérable des installations d'analyse du laboratoire, y compris le déménagement plus tard, à un plus grand laboratoire dans le bâtiment D'Iorio en 1992. Du soutien monétaire supplémentaire très utile est venu dans la fin des années 80 et début des années 90 pour un petit laboratoire supplémentaire de la recherche analytique, financée par Glaxo, pour développer des méthodes pour identifier des intermédiaires de synthèse dans l'industrie pharmaceutique, pour des analyses environnementales, et un réseau de petits utilisateurs commerciaux et des connexions Université a été établi. La charge de travail analytique générale était 2500-3000 échantillons par an.

Les années de recherche de 1982-1997 ont produit des méthodes uniques pour l'étude des produits neutres de la fragmentation d'ions; la neutralisation de faisceaux d'ions avec Xe et une gamme de vapeurs d'atome métallique ont créé de nouveaux radicaux et molécules neutres --- certaine stable, d’autre transitoire ; l'émission d'un rayonnement de faisceaux d'ions excités ; des spectres de masse de à charge réversible (positif à négatif et vice versa), et plus encore. Une percée majeure au début est venue de l'étude de nouveaux ions d’une structure peu conventionnelle, les ions dystonique, qui sont des isomères d'ions conventionnelle structurés. Elle a débuté avec Hans Terlouw lorsqu’il a découvert (en Utrecht) que l'ion produit par la perte de CH2O de propane-1,3-diol ionisé a la structure CH2CH2OH2+•  (une complexe de l'eau de l'éthène ionisé) et est donc pas une molécule de C2H6O ionisée comme prévu ( Org . Mass Spectrom.16, 326-332, (1981)). Cela a ouvert les portes d'inondation à la découverte d'une myriade de ces ions stables impliquant N, O, S et les atomes d'halogène ; par exemple, l'ion stable CH2OH2+• qui a une enthalpie de formation plus faible que l’espèce classique CH3OH+•. Pour les expériences de rayonnement en 1992 le  ZAB -2F a reçu un troisième secteur avec une fenêtre de quartz et une longue piste au-dessous de la trajectoire du faisceau, ce qui permet de monté des expériences  pour intercepter le faisceau d'ions. L'appareil a également été entièrement rénové, grâce à une subvention du CRSNG $ 485 000, ce qui augmente la polyvalence de l'instrument une fois encore

Sander Mommers in the mass spectrometry facility, picture from 1982
Sander Mommers, ca. 1982

Dans le laboratoire de MS, tellement le personnel permanent a dépend, que sans eux l'entreprise aurait certainement échoué. Ceux-ci comprennent Pierre Coulombe , Jake Blair , John Kraus , Clem Kazakoff , Sander Mommers et Sharon Curtis . Sander Mommers en particulier, a été responsable de la construction et l'entretien de tous les accessoires essentiels pour la ZAB, sans laquelle une grande partie de la recherche passionnante ne pouvait pas ont été accomplis. Autres collaborateurs et amis spéciaux comprennent le Dr M. Dakubu (Université du Ghana à Accra) , le Dr Neil Isaacs ( Université de Reading . Royaume-Uni ) , le Dr Robin Rye ( Université Concordia ) , le Dr A. D. Osborne (Queen Mary University , Londres Royaume-Uni ) , le professeur Leo Radom ( Université de Sydney ) , Dr P.C. Burgers ( Erasmus Medical Center , Rotterdam ) , Prof. J.H. Bowie (Université d’Adélaïde) , et une mention spéciale pour le professeur Paul Mayer et le Dr Christiane Aubry , tous deux ex-étudiants des cycles supérieurs , dont le soutien et l'enthousiasme ont été hors de prix .

Clem Kazakoff sitting near a spectrophotometer
Clem Kazakoff, after a long and illustrious career at the facility, retired in 2013.

Sharon Curtis l'a remplacé en 2013 en tant que directeur des installations.

Paul Mayer, Sharon et Sander ont poursuivi la tradition de la spectrométrie de masse à l'Université d'Ottawa, jusqu'à ce qu'ils soient rejoints par Maxim Berezovski en 2014.

Maxim a apporté avec lui deux Thermo Fisher Orbitrap et avec ceux-ci, l'installation biologique est née. En 2022, après 40 ans de service, Sander Mommers prend sa retraite. L'installation continue de servir la communauté de l'Université d'Ottawa et plus encore

Sander Mommers smiling in the mass spectrometry facility in 2014
Sander Mommers dans le laboratoire en 2014

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Analyse chimique

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D'Iorio Hall - Salle 124
Ottawa, ON K1N 6N5
Tél: 613-562-5800 ext. 604

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