Hyphenation of mass spectrometry with liquid and supercritical fluid chromatographies : towards an in-depth description of complex oxygenated and hydrocarbon samples
La spectrométrie de masse en couplage avec la chromatographie en phase liquide et supercritique : vers une description plus détaillée des mélanges complexes oxygénés et hydrocarbonés
Résumé
This PhD thesis focused on the characterisation of complex oxygenated samples coming from transformation of lignocellulosic biomass and complex hydrocarbon samples related to heavy petroleum oil cuts. The chemical complexity of these two types of sample is specific to each one and comes from multiple factors: i) lignocellulosic biomass products are made up of oxygenated compounds spread over a wide range of polarity, molecular weight and concentration. Petroleum heavy cuts have thousands of hydrocarbons, sulphur and nitrogen compounds. In both cases, the objective of this research work is to improve the knowledge on the sample composition in order to optimise even more efficiently conversion processes. For this purpose, separation methods adapted to the properties of the samples have been set up and hyphenated with high-resolution mass spectrometry (HRMS). A methodology through the use of experimental designs has been proposed in order to optimise the interface between chromatographic methods and HRMS. In the case of products resulting from biomass conversion, in a first step the hyphenation of reverse phase liquid chromatography (RPLC) with HRMS using electrospray (ESI) and atmospheric pressure chemical ionisation (APCI) sources allowed a first description of the samples. Successive fragmentation experiments revealed novel chemical structures. Thereafter, an on-line two-dimensional (LCxLC) chromatography method dedicated to the analysis of the most polar compounds was optimised and coupled to HRMS. Ion mobility (IMS) was also studied in order to evaluate its interest within the hyphenations carried out. For heavy petroleum cuts, a method combining centrifugal partition chromatography (CPC) as a first dimension, supercritical fluid chromatography (SFC) as a second one coupled with HRMS using atmospheric pressure photo-ionization source (APPI) as a third dimension proved to be a relevant approach for quantification of polycyclic aromatic hydrocarbons vacuum gas oils. This off-line hyphenation of SFC and CPC allowed to get well-organised 2D maps according to the unsaturation level and the number of aromatic rings of the detected compounds, reflecting the detailed composition of the samples. Finally, the advantages and disadvantages of all the methods developed during this PhD were discussed. The special features of the two mass spectrometers used (FT-ICR and timsTOF) are compared in terms of resolution, acquisition speed and fragmentation mechanisms. A peak capacity was evaluated for each hyphenated method, which allowed to position them against each other in terms of sample complexity, data processing and analytical requirement
Ces travaux de thèse ont porté sur la caractérisation de mélanges complexes oxygénés avec l’étude d’échantillons issus de la biomasse lignocellulosique, et de mélanges complexes hydrocarbonés via l’exemple des coupes lourdes pétrolières. La complexité chimique de ces deux types d’échantillon est propre à chacun et provient de multiples facteurs : i) les produits issus de la transformation de la biomasse lignocellulosique sont constitués de composés oxygénés étendus sur une large gamme de polarité, de masse moléculaire mais aussi de concentration, ii) les coupes lourdes pétrolières possèdent des milliers de constituants hydrocarbonés ainsi que des composés soufrés et azotés. Dans les deux cas, l’objectif de ces travaux de recherche est d’améliorer la connaissance de la composition des échantillons, ce qui est indispensable pour développer des procédés de transformation encore plus performants. Pour atteindre cet objectif, des méthodes séparatives adaptées aux propriétés des échantillons ont été mises en place et couplées à la spectrométrie de masse haute résolution (HRMS). Une méthodologie via l’utilisation de plans d’expériences a été proposée afin d’optimiser l’interface entre la dimension de séparation et la HRMS. Dans le cas des échantillons issus de la biomasse, dans un premier temps, le couplage de la chromatographie en phase liquide à polarité de phase inversée (RPLC) et de la HRMS avec une source electrospray (ESI) et une source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) a permis une première description des échantillons. Des expériences de fragmentations successives ont mis en évidence des structures inédites. Par la suite, une méthode de chromatographie bidimensionnelle en ligne (LCxLC) dédiée à l’analyse des composés les plus polaires a été optimisée et couplée à la HRMS. La mobilité ionique (IMS) a également été étudiée afin d’évaluer son intérêt au sein des couplages réalisés. Dans le cas des coupes lourdes pétrolières, une méthode associant la chromatographie de partage centrifuge (CPC) en première dimension, la chromatographie en phase supercritique (SFC) en deuxième dimension couplée à la HRMS avec une source de photo-ionisation à pression atmosphérique (APPI) en tant que troisième dimension s’est révélée être une approche pertinente pour quantifier les hydrocarbures aromatiques polycycliques présents dans les distillats sous vide. Ce couplage hors-ligne de la CPC à la SFC a permis de construire des cartographies 2D organisées selon le degré d’insaturation et le nombre de cycles aromatiques des composés détectés, reflétant la composition détaillée des échantillons investigués. Pour terminer, les avantages et inconvénients de l’ensemble des méthodes développées au cours de cette thèse ont été discutés. Les spécificités des deux spectromètres de masse utilisés (FT-ICR et timsTOF) sont comparées en termes de résolution, vitesse d’acquisition et mécanismes de fragmentation. Une capacité de pics a été évaluée pour chaque couplage, ce qui a permis de les positionner les uns par rapport aux autres en perspective de la complexité des échantillons, du traitement des données et du besoin analytique
Origine : Version validée par le jury (STAR)