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

Le laboratoire fut fondĂ© en printemps de 1964, lorsque le dĂ©partement a obtenu une subvention de $ 56 000 provenant du CNRC (l’agence qui fournissait les bourses de recherche canadienne Ă  l’époque) pour acheter leur premier spectromètre de masse (SM) analytique.  La subvention a Ă©tĂ© annoncĂ©e lors d'une rĂ©union du personnel par le directeur, le professeur Keith Laidler, mais personne a montrĂ© un grand intĂ©rĂŞt Ă  entreprendre la tâche de sĂ©lectionner,  de maintenir et faire fonctionner l'instrument et de fournir des spectres de masse pour tous les intĂ©ressĂ©s. Dans le cas, John Holmes s’est portĂ© volontaire pour prendre la responsabilitĂ© et, avec Fred Lossing, a visitĂ© l'usine de Perkin-Elmer Ă  Norwalk, Connecticut. Fred a apprĂ©ciĂ© le RMU-6D et alors les deux commandes ont Ă©tĂ© passĂ©es. (Il convient de rappeler que Fred Lossing a Ă©tĂ© un pionnier dans la chimie des ions en phase gazeuse, sa spĂ©cialitĂ© Ă©tant la mesure prĂ©cise des Ă©nergies d’ionisation de petites molĂ©cules. En particulier les radicaux libres gĂ©nĂ©rĂ©s 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 Ă©tĂ© installĂ© en novembre cette annĂ©e. Celui-ci est un bon instrument Ă  secteur magnĂ©tique avec simple mise au point; toute l’électronique dĂ©pendait des tubes Ă  vide et le potentiel d’accĂ©lĂ©ration d’ions a Ă©tĂ© de 3000V. A cause des tubes Ă  vides il fallait se mĂ©fier des potentiels rĂ©siduels lors des rĂ©parations routinières puisque les condenseurs  conservaient leur charge. Il devrait donc ĂŞtre mis Ă  la terre avant d’y toucher. Le vide a Ă©tĂ© rĂ©alisĂ© au moyen de pièges Ă  froid d’azote liquide (en ces jours fournis gratuitement par le CNRC) attachĂ©s aux pompes Ă  diffusion d’huile. La source d'ions Ă  bombardement Ă©lectronique Ă©tait simple Ă  maintenir, mĂŞme si des compĂ©tences de soufflage du verre ont Ă©tĂ© nĂ©cessaires pour remplacer le filament. Un ajout spĂ©cial Ă©tait une paire de plaques rĂ©flectrices d'ions dans la source ; ceux-ci permettaient la modification du temps de sĂ©jour dans la source ainsi que l'optimisation de l'intensitĂ© du faisceau d’ions, une très bonne fonctionnalitĂ© manquant dans tous les instruments ultĂ©rieurs. Des Ă©chantillons solides, liquides et gazeux pourraient ĂŞtre introduits sans difficultĂ©. C’est lors d’une longue journĂ©e que la rĂ©solution de masse Ă©tait suffisante pour sĂ©parer de justesse CO+•, HCNH+, N2+• et C2H4+•. La portĂ©e de masse Ă©tait de 1000 a.m.u. Les spectres de masse (MS) ont Ă©tĂ© enregistrĂ©es par un " Visicorder ", dans lequel quatre galvanomètres Ă  point ( sensibilitĂ©s 1 : 3 : 10 : 30 ) projetaient leur faisceau sur du papier sensible Ă  la lumière UV , qui ensuite Ă©tait dĂ©veloppĂ© Ă  l'exposition de la lumière de la pièce .

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

La spĂ©cialisation en recherche jusque-lĂ  de Holmes Ă©tait  les rĂ©actions radicalaires et atomiques libres en phase gazeuse dans les rĂ©actions de pyrolyse et photochimiques et ainsi que l'interprĂ©tation de spectres de masse qui n'a pas Ă©tĂ© de grand intĂ©rĂŞt scientifique. Notez que le premier livre sĂ©rieux au sujet de l'interprĂ©tation (et la rationalisation) de spectres de masse, par Fred McLafferty, n’est  apparu qu'en 1966 , et les premières revues scientifiques consacrĂ© Ă  la spectromĂ©trie de masse  ont seulement apparu en 1968 --- " The International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics "et" Organic Mass Spectrometry " ---- suite  Ă  des propositions cet Ă©tĂ© Ă  une rĂ©union internationale Ă  Berlin .

L'interprĂ©tation des spectres de masse Ă©tait basĂ©e sur les mĂ©canismes de rĂ©action prises Ă  partir de la chimie organique (neutre) classique, et les rĂ©gimes de fragmentation complexes qui sont apparus dans des publications MS Ă©taient ingĂ©nieux, 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 Ă©tĂ© dĂ©couverts, notamment parce que leurs homologues neutres Ă©taient instable ou inconnu et donc inaccessible Ă  des expĂ©riences directes. Une grande partie de la recherche dans le laboratoire MS a Ă©tĂ© de dĂ©couvrir des mĂ©thodes pour dĂ©terminer Ă  la fois les structures  et les valeurs Ă©nergĂ©tiques des ions en phase gazeuse.

Le fait que le sujet nĂ©cessitait  d’importantes nouvelles idĂ©es est bien illustrĂ© par les deux premières observations : - du 2,3,4-trimethlypentane ionisĂ© forme des intenses fragments ioniques  de C4H9et C4H7+, et le benzène ionisĂ© perd un radical CH3• --- inexplicable par des mĂ©canismes rĂ©actionnels classiques .

En 1968, un peu par hasard (spectres de masse des Ă©chantillons venant du Royaume-Uni), Holmes a notĂ© que les ions molĂ©culaires de nombreux acides dicarboxyliques perdaient CO2, mais d'une manière dĂ©pendante de la position et l'orientation des groupes carboxyliques. L’étiquetage isotopique Ă  deutĂ©rium  a Ă©tĂ© facilement rĂ©alisĂ© par Ă©change avec D2O et certains mĂ©canismes de fragmentation nouveaux ont Ă©tĂ© dĂ©mĂŞlĂ©s. Notez que, entre autres, l'acide benzoĂŻque (OD) a Ă©tĂ© reprĂ©sentĂ© Ă  perdre les radicaux OH• et OD• dans un rapport de 2 : 1 , en montrant que le H de l’acide carboxylique et (par Ă©tiquetage supplĂ©mentaire) les deux atomes d'ortho -H est devenu Ă©quilibrĂ©e 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 mĂ©tastables, ces signaux diffus qui apparaissent en masse non essentiel dans les enregistrements d'instruments Ă  secteur simples. Ces signaux diffus proviennent d’ions qui se dissocient dans les rĂ©gions sans champs Ă©lectromagnĂ©tiques de la MS. Leurs formes naissent de la libĂ©ration de l'Ă©nergie interne des ions dans  des degrĂ©s de libertĂ© de translation. Ces formes complexes (profils) reflètent les surfaces d'Ă©nergies potentielles sur laquelle le fragment d'ions et ceux-ci, Ă  son tour, se rapportent Ă  les structures des ions. Un exemple notable est le pic crĂ©nelĂ© qui accompagne la perte de H2 venant des cations C3H5+, qui montre la gĂ©nĂ©ration d’isomères de C3H3+, les cations de propargyle et cyclopropĂ©nyle.

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 Ă  double focalisation et haute rĂ©solution MS a Ă©tĂ© obtenu sous forme d'une subvention du CRSNG de $ 130 000 en 1972. La principal raison pour son acquisition Ă©tait de fournir des dĂ©terminations de masse prĂ©cises pour les chimistes organiques, pour montrer que leurs produits soigneusement isolĂ©es (parfois) eu la bonne formule molĂ©culaire. Il a Ă©tĂ© installĂ© dans le Pavillon Marion (Ă  travers les fenĂŞtres du laboratoire) sur une brame d'acier et de ciment montĂ© sur beignes en caoutchouc gonflables pour fournir un support exempt de vibrations, sur lequel l'instrument pourrait ĂŞtre secouĂ© doucement, avec une frĂ©quence naturelle de 0.5 Hz. Son pouvoir de rĂ©solution initial Ă©tait un superbe 180 000, tel que dĂ©montrĂ© par l'ingĂ©nieur d'installation, Ernie Mills. Quoi qu'il a rapidement Ă©tĂ© dĂ©tĂ©riorĂ© Ă  30 000 lorsque l'usure normale a pris effet. Dans cet instrument, l'Ă©lectronique Ă©tait Ă©galement toujours contrĂ´lĂ©e par des tubes Ă  vides et le potentiel du secteur Ă©lectrique a Ă©tĂ© maintenu par les grandes piles sèches et encore, lors de l'entretien de l'appareil, un grand soin a Ă©tĂ© nĂ©cessaire pour Ă©viter tout potentiel d'accĂ©lĂ©ration (rĂ©siduel) de 8000V. Cette MS a Ă©galement permis la sĂ©paration des rĂ©solutions fines des pics mĂ©tastables d'ions venant de la MS normales , et la recherche avec Hans Terlouw (lors d’un congĂ© d'un an de l’UniversitĂ© d'Utrecht ) , a permis de distinguer clairement entre les isomères d’ions C2H4O+• , l'acĂ©taldĂ©hyde (A) , l'alcool vinylique ( V ) et oxirane , comme ions molĂ©culaires  ainsi qu’ions de produits dans un ms . (donc, par exemple, le 2- propanol  ionisĂ© a donner un mĂ©lange d'ions isobares A et V via deux pistes de pertes de CH4 , des Ă©liminations 1,2 compĂ©titif) . L'Ă©tude des propriĂ©tĂ©s des ions mĂ©tastables occupera plusieurs annĂ©es bien remplies. Pour un examen des progrès rĂ©alisĂ©s, voir Org. Mass Spectrom. 15 , 383-396 , (1980). Cette heureuse collaboration avec Hans poursuivra pendant les 40 prochaines annĂ©es et nous avons partagĂ© quelque 70 publications conjointes.

En 1980, Fred Lossing pris sa retraite du CNRC et nous a transportĂ© son prĂ©cieux mono – chromateur Ă©lectronique Ă  notre laboratoire Ă  l'arrière d'un camion ouvert, et a Ă©tĂ© installĂ© pour lui dans une petite pièce attenante. Fred interagit Ă©troitement avec les Ă©tudiants chercheurs et chercheurs invitĂ©s et de nombreuses heures ont Ă©tĂ© consacrĂ© Ă  la discussion les subtilitĂ©s de structures d'ions et leur thermochimie, et aussi guĂ©rir les maux du monde. Fred est restĂ© avec nous pendant les 15 prochaines annĂ©es et la collaboration très stimulant produit quelque 35 publications conjointes.

En 1982, une proposition au CRSNG pour un Centre de MS Ă  l'UniversitĂ© d'Ottawa a Ă©tĂ© entièrement financĂ© ($ 680 000) et le laboratoire a rapidement Ă©largi pour accueillir une VG 7070 (EB) MS analytique Ă  rĂ©solution moyenne et un ZAB-2F Ă   gĂ©omĂ©trie inversĂ©e, BE. Un instrument de polyvalence exceptionnelle. Une subvention d'infrastructure et de soutien pour les travaux d'entretien des deux universitĂ©s d'Ottawa (Ă  24000 $ chacun, pa) et le CNRC, ont assurĂ© un bon dĂ©part Ă  une pĂ©riode très productive de la recherche et une expansion considĂ©rable des installations d'analyse du laboratoire, y compris le dĂ©mĂ©nagement plus tard, Ă  un plus grand laboratoire dans le bâtiment D'Iorio en 1992. Du soutien monĂ©taire supplĂ©mentaire très utile est venu dans la fin des annĂ©es 80 et dĂ©but des annĂ©es 90 pour un petit laboratoire supplĂ©mentaire de la recherche analytique, financĂ©e par Glaxo, pour dĂ©velopper des mĂ©thodes pour identifier des intermĂ©diaires de synthèse dans l'industrie pharmaceutique, pour des analyses environnementales, et un rĂ©seau de petits utilisateurs commerciaux et des connexions UniversitĂ© a Ă©tĂ© Ă©tabli. La charge de travail analytique gĂ©nĂ©rale Ă©tait 2500-3000 Ă©chantillons par an.

Les annĂ©es de recherche de 1982-1997 ont produit des mĂ©thodes uniques pour l'Ă©tude des produits neutres de la fragmentation d'ions; la neutralisation de faisceaux d'ions avec Xe et une gamme de vapeurs d'atome mĂ©tallique ont créé de nouveaux radicaux et molĂ©cules neutres --- certaine stable, d’autre transitoire ; l'Ă©mission d'un rayonnement de faisceaux d'ions excitĂ©s ; des spectres de masse de Ă  charge rĂ©versible (positif Ă  nĂ©gatif et vice versa), et plus encore. Une percĂ©e majeure au dĂ©but est venue de l'Ă©tude de nouveaux ions d’une structure peu conventionnelle, les ions dystonique, qui sont des isomères d'ions conventionnelle structurĂ©s. Elle a dĂ©butĂ© avec Hans Terlouw lorsqu’il a dĂ©couvert (en Utrecht) que l'ion produit par la perte de CH2O de propane-1,3-diol ionisĂ© a la structure CH2CH2OH2+•  (une complexe de l'eau de l'Ă©thène ionisĂ©) et est donc pas une molĂ©cule de C2H6O ionisĂ©e comme prĂ©vu ( Org . Mass Spectrom.16, 326-332, (1981)). Cela a ouvert les portes d'inondation Ă  la dĂ©couverte 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 expĂ©riences de rayonnement en 1992 le  ZAB -2F a reçu un troisième secteur avec une fenĂŞtre de quartz et une longue piste au-dessous de la trajectoire du faisceau, ce qui permet de montĂ© des expĂ©riences  pour intercepter le faisceau d'ions. L'appareil a Ă©galement Ă©tĂ© entièrement rĂ©novĂ©, grâce Ă  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

Contactez-nous

Analyse chimique

Sharon Curtis
[email protected]
D'Iorio Hall - Salle 124
Ottawa, ON K1N 6N5
Tél: 613-562-5800 ext. 604

Analyse biologique

Zoran Minic
[email protected]
Marion Hall - Salle 002
Ottawa, ON K1N 1A2
Tél: 613-562-5800 ext. 1626