Laboratoire de Chimie Physique - ELYSE

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2 Laboratoire de Chimie Physique - ELYSE

3 ELYSE : 3 opérations de recherche
Photolyse et radiolyse en milieu condensé, Mehran MOSTAFAVI Arc en Ciel, Christophe JOUVET LOLITA, Fabienne MEROLA

4 Lasers of ELYSE

5 Amplificateur Régénératif
Oscillateur Ti:Sa 790 nm 78,9 MHz, 4 nJ, 90 fs Y:VO4 532 nm, 4,50 W Etireur 250 ps Amplificateur Régénératif 1 kHz, 1,2 mJ Nd:YLF 527 nm 8,6 W, 1 kHz Compresseur 1 Photolyse 110 fs Compresseur 2 Radiolyse 790 nm, 110 fs, 1 mJ, 950 Hz 790 nm, 110 fs, 1 mJ, 50 Hz Photolyse femtoseconde Arc en ciel Radiolyse

6 Photolyse femtoseconde en solution
Expérience de type « pompe-sonde » d’absorption transitoire Mehran MOSTAFAVI, Isabelle LAMPRE Premier montage réalisé avec le laser d’Elyse Début du montage : 2000 Première expérience : 2001

7 Principe de l’expérience
Impulsion « pompe » M M Echantillon Impulsion « sonde » LS M M I0s(l,t) I1s(l,t) LS Détection DL M I0ref(l,t) M M t= DL/c M: miroir ; LS : lame séparatrice DA(l,t) = log I0ref(l,t) I0ref(l,t<0) - log I1s(l,t) I1s(l,t<0)

8 Disque de silice tournant
Montage expérimental CCD Spectromètre L Jet Ligne à retard optique motorisée 395nm 264 nm LS 5% Télescope M GSH GTH Continuum de lumière blanche nm Disque de silice tournant λ/2 Cristaux doubleurtripleur 790 nm 110 fs 800 µJ 1 kHz Filtre

9 Phénomènes photoinduits étudiés
Excitation Ionisation E (eV) M+ + e- continuum e-sol Sn 4,7 eV S2 Absorption S Sn S1 4,7 eV Excitation 3,1 eV Émission stimulée S0 Molécule M (soluté ou solvant)

10 Transient absorption measurement by CCD camera

11 Thèmes de recherche Dynamique de solvatation de la Coumarine 153 dans des mélanges de solvants Collaboration : W. Jarzeba, Krakow, Pologne Dynamique de solvatation et réactivité de l’électron généré par photo-ionisation du solvant Collaboration : S. Pommeret, CEA/Saclay, Y. Katsumura, Tokyo, Japon Coll. intra-LCP, CTh : P. Pernot Solvatation de l’électron en solution aqueuse en présence de sels Coll. intra-LCP, TESMaC, CTh : A. Boutin, I. Demachy-Vacus, P. Archirel Etude des transferts d’électrons et d’énergie au sein de complexes mixtes organiques-inorganiques Coll. intra-TEMiC : L. Ruhlmann Etude des états excités d’hétéropolyanions Coll. intra-TEMiC : L. Nadjo, B. Keita Etude de systèmes pour la limitation optique Coll. intra-TEMiC : H. Remita

12 Publications “Preferential solvation of coumarin 153 – the role of hydrogen bonding” R. Krolicki, W. Jarzeba, I. Lampre, M. Mostafavi, J. Phys. Chem. A 106, 1708 (2002) “Hydrogen Bonded Complexes of Coumarin 153” R. Krolicki, W. Jarzeba, B. Soroushian, I. Lampre, M. Mostafavi, Bull. Pol. Acad. Sci., Chem. 50, 435 (2002) “Solvation dynamics of electron in ethylene glycol at 300 K” B. Soroushian, I. Lampre, S. Pommeret, M. Mostafavi in Femtochemistry and Femtobiology: Ultrafast Events in Molecular Science, M. M. Martin and J. T. Hynes eds. (Elsevier), 2004, p. 241 “Formation and geminate recombination of solvated electron formation upon two-photon ionisation of ethylene glycol” B. Soroushian, I. Lampre, P. Pernot, V. De Waele, S. Pommeret, M. Mostafavi, Chem. Phys. Lett. 394, 313 (2004) “First observation of electron paired with divalent and trivalent non-reactive metal cations in water” J. Bonin, I. Lampre, B. Soroushian, M. Mostafavi, J. Phys. Chem. A 108, 6817 (2004) “Absorption spectrum of the hydrated electron paired with nonreactive metal cations” J. Bonin, I. Lampre, M. Mostafavi, Radiat. Phys. Chem. 74, 288 (2005) “Solvation dynamics of electron produced by two-photon ionisation of liquids polyols. I. Ethylene glycol” B. Soroushian, I. Lampre, J. Bonin, P. Pernot, S. Pommeret, M. Mostafavi, J. Phys. Chem. A 110, 1705 (2006)

13 Amplificateur Régénératif
Oscillateur Ti:Sa 790 nm 78,9 MHz, 4 nJ, 90 fs Y:VO4 532 nm, 4,50 W Etireur 250 ps Amplificateur Régénératif 1 kHz, 1,2 mJ Nd:YLF 527 nm 8,6 W, 1 kHz Compresseur 1 Photolyse 110 fs Compresseur 2 Radiolyse 790 nm, 110 fs, 1 mJ, 950 Hz 790 nm, 110 fs, 1 mJ, 50 Hz Photolyse femtoseconde Arc en ciel Radiolyse

14 But: proposer une méthode de fragmentation des peptides
induisant des fragmentations différentes et sélectives Photofragmentation Pourquoi étudier des molécules protonées isolées? très semblable aux molécules neutres: même état électronique fondamental (singulet) la première transition optique est du type pp-pp* (UV ~ 4.5 eV) Particule isolée: propriété intrinsèque sans effet du solvant chargée: facile à détecter par spectrométrie de masse combiner laser et spectrométrie de masse: photon : contrôle de l’énergie en excès (voie d’entrée) SM : détection des fragments révèle des processus non radiatif (voie de sortie) complémentaire / expériences de collisions (CID) / expériences de fluorescence (radiatif)

15 Electrospray pulsé, laser et SM
Pulsed HV Extraction TOF 2 tof2=0 Electrospray pulsé, laser et SM 266 nm pump 800 nm probe tof1=0 exit lens hexapole bias 2 torr 130 mtorr 2  10-4 torr 1 atm Exit Lens Electrospray Capillary Hexapole Ion guide/trap Lens TOF 1

16 Fragments @ radical cation
Photofragmentation de tryptamine 266 nm 132 & 144 Fragment type Conversion interne Perte NH3 Mass 161 130 140 150 160 mass Perte H 160, 130 & 131 radical cation Diminution induite par absorption UV

17 Transfert d’électron du cycle aromatique vers le NH3+
Processus non radiatif dans TrypH+ Transfert d’électron du cycle aromatique vers le NH3+ ps* état dissociatif suivant la coordonnée NH du groupement amino protoné IC ps* pp* S0 RI CC2 Turbomole N : aug-cc-pVDZ C,H: SV (P) couplage pp* / ps* : durée de vie pp* croisement ps* / S0 : rapport de branchement perte H/ conversion interne 50%-50% d’après le spectre de masse Perte H Recombinaison atome H

18 durée de vie pp* ? : expérience fs pompe/sonde
130 140 150 160 mass chaque fragment est analysé en fonction du délai pompe/sonde Fragments perte H : t = 250 fs et plateau m/z= 160 m/z= 131 m/z= 130 -2000 2000 4000 6000 8000 delay 266/800nm (fs) hn= 800nm + Stot = diminution Tryp….H+ pp* 131 Signal ion ps* 130 gain Tryp+…H 160 Tryp+ Effet du 800nm : apport d’énergie + énergie => + fragments Stot > 0 pour fragments secondaires Stot < 0 pour fragment primaire 161 TrypH+

19 Collaborations internationales
Séoul (programme STAR) Institut Pasteur Dr. Regis Grailhe Bayreuth (programme Marie Curie) Univ. of Bayreuth, Dept Structural Biology/Bioinformatics Prof. M. Ullmann, Dr. E. Bombarda Moscou (programme ARCUS) Institut Lebedev Dr. T. Syreschikova Institut de Physico-Chimie Médicale Prof. G. Dobretsov, Dr. S. Gularian Séoul :

20 Publications ARC EN CIEL
. H. Kang, C. Jouvet, C. Dedonder-Lardeux, S. Martrenchard, G. Grégoire, C. Desfrançois, J-P. Schermann, M. Barat and J.A. Fayeton Phys. Chem. Chem. Phys. 6 (2004) C. Jouvet, H. Kang, C. Dedonder-Lardeux, S. Martrenchard, C. Charrière, G. Grégoire, C. Desfrançois, J-P. Schermann, M. Barat and J.A. Fayeton J. Chem. Phys. 122 (2005) 84307 H. Kang, C. Jouvet, C. Dedonder-Lardeux, S. Martrenchard, G. Grégoire, C. Desfrançois, J-P. Schermann, M. Barat and J.A. Fayeton. Phys. Chem. Chem. Phys. 7 (2005) 394 H. Kang, C. Dedonder-Lardeux, C. Jouvet, G. Grégoire, C. Desfrançois, J.-P. Schermann, M. Barat, and J. A. Fayeton. J. Phys. Chem. A , 109 (2005) 2417. H. Kang, C. Dedonder-Lardeux, C. Jouvet, C. Desfrançois, D. Onidas, V. Lepere and J.A. Fayeton Phys. Chem. Chem. Phys., 2006, 8, Norihiro Tsuji, Shun-ichi Ishiuchi, Makoto Sakai, Masaaki Fujii, Takayuki Ebata, Christophe Jouvet and Claude Dedonder-Lardeux. Phys. Chem. Chem. Phys., 2006, 8,

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22 Picosecond radiolysis and femtosecond photolysis
Research Team : M. Mostafavi, J.L. Marignier, V. De Waele, I. Lampre, H. Remita, S. Sorgues, J. Belloni Engineer staff  : H. Monard, J.P. Larbre, F. Gobert, A. Demarque, M. Lourseau

23 Installations de radiolyse picoseconde dans le monde
Projet Existant

24 Quelques Dates er Comité de pilotage, choix: accélérateur photo-déclenché, achat du laser choix du pour réalisation de l ’accélérateur – installation laser choix de l ’entreprise ETPI pour la réalisation du bâtiment début des travaux de construction du 349 – création du 2001 : réception du bâtiment, déménagement accélérateur et laser au 349 2002 : premier faisceau – 9 MeV 2003 : obtention 5 ps – 2 nC 2004 : installation des systèmes de détections 2005 : première mesures et accès à l’accélérateur INTERET PHOTODECLENCHE = LASER PRODUCTION MEME LASER DETECTION PT DE VUE ACCELE =

25 Laser triggered electron accelerator
1000 impulsions / second 50 impulsions / second 950 impulsions / second photons c Photolysis 795 nm T ultraviolet 50 impulsions / second P electrons c Radiolysis Electron Accelerator

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27 Laser 3w Camera Streak Spectrograph Laser diode

28 Accelerator Pulse length  7 ps Charge  1 nC Energy 4 to 9 MeV
Repetition Rate  50 Hz Energie Dispersion  2,5 % Spot Diameter  2 à 20 mm Accelerator build and installed (SERA)

29 Pulse characteristics

30 Pulse-Probe Detection System

31 Pulse-probe measurements

32 Picosecond absorption spectroscopy with a streak-camera
High dynamics range streak-camera C7700, Hamamlatsu

33 Dynamique de la recombinaison géminée
es- ROnsager = 50 Å RH+

34 Figure 4.

35 Distance dependent reaction

36 Réactions dans les grappes à hautes températures

37 Belloni, J. , Monard, H. , Gobert, F. , Larbre, J. P. , Demarque, A
Belloni, J., Monard, H., Gobert, F., Larbre, J.P., Demarque, A., De Waele, V., Lampre, I., Marignier, J.L., Mostafavi, M., Bourdon, J.C., Bernard, M., Borie, H., Garvey, T., Jacquemard, B., Leblond, B., Lepercq, P., Omeich, M., Roch, M., Rodier, J. & Roux, R. (2005) ELYSE-A picosecond electron accelerator for pulse radiolysis research. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors, and Associated Equipment, 539 (3), Lampre, I., Lin, M., He, H., Han, Z., Mostafavi, M. & Katsumura, Y. (2005) Temperature dependence of the solvated electron absorption spectra in propanediols. Chemical Physics Letters, 402 (1-3), Boutin A., Spezia R., Coudert F.-X. & Mostafavi M. Molecular dynamics simulations of the temperature and density dependence of the absorption spectra of hydrated electron and solvated silver atom in water, Chem. Phys. Let., 409 (4-6), , 2005. Lampre I., Lin M., He H., Han Z., Mostafavi M. & Katsumura Y. Temperature dependence of the solvated electron absorption spectra in propanediols, Chem. Phys. Let., 402 (1-3), , 2005. Vincent De Waele, Dr; Sébastien Sorgues, Dr; pascal pernot, Dr; Jean-Louis Marignier, Dr; Hugues Monard, Dr; Jean-Philippe Larbre; Mehran Mostafavi Geminate recombination measurements of solvated electron in THF using laser-synchronised picosecond electron pulse. Chem. Phys. Lett. 2006, sous presse. Gerard Baldacchino; Vincent De Waele; Hugues Monard; Sébastien Sorgues; Fabrice Gobert; Jean-Philippe Larbre; George Vigneron; Jean-Louis Marignier; Stanislas Pommeret; Mehran Mostafavi Hydrated electron decay measurements with picosecond pulse radiolysis at elevated temperatures up to 350 °C Chem. Phys. Lett. 2006, sous presse. Jean-Louis Marignier, Vincent Dewaele, Sebastien Sorgues, Fabrice Gobert; Jean-Philippe Larbre;; Mehran Mostafavi, Jacqueline Belloni. Time resolved spectroscopy at the picosecond laser-triggered electron accelerator ELYSE, Radiat. Phys. Chem. 2006, Sous presse.

38 Collaborations LuLi (Malka), Calibration des détecteurs
LOA (Marquez), Effet électro-optique CEA (Pommeret), radiolyse à haute température Bologne/Italie, (dimère de cystéine) PSI de Polytechnique (C. Corbel), Interface Projet Européen : Eurofel, Constitution du PulsRadLab

39 L'expérience LOLITA Imagerie et dynamique des interactions moléculaires en cellule vivante
Micro-spectroscopie de fluorescence à haute résolution temporelle Imagerie de fluorescence résolue en temps (FLIM) sous microscope confocal LOLITA = Luminescence Observation by Laser Induced Transient Analysis (LOLITA) FLIM = Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy

40 Composition de l'équipe
Fabienne Mérola DR2 CNRS Hélène Laguitton-Pasquier, MCU PXI Marie Erard, MCU PXI Xavier Decrouy, Post Doc Nikon

41 Luminescence Observation by Laser Induced Transient Analysis
LOLITA Luminescence Observation by Laser Induced Transient Analysis Laser: Nd-YVO4 pompé par diodes 532 nm 10 W CW laser Ti:Saph femtoseconde 700 nm nm 2 W 76 MHz extracteur de pulses (TiO2) fréquence variable de 4 MHz à 10 kHz SHG (LBO) 350 nm- 490 nm MHz THG (BBO) 234 nm- 325 nm MHz Déclins de fluorescence: comptage de photons (TCSPC) détecteur MCP-PMT passeur thermostaté (50mL ech.) analyse spectrale et polarisation Traitement des données: moindres carrés maximum d'entropie (Maxent Ltd) analyse globale (P.Pernot) Aussi: détection TCSPC (Time-correlated single photon counting) récupérée du LURE Cofinancements : ACI CNRS, Fondation pour la Recherche Médicale, BQR Paris XI, Elyse

42 Microspectroscopie et imagerie de durée de vie de fluorescence (FLIM)
LOLITA Microspectroscopie et imagerie de durée de vie de fluorescence (FLIM) LSC Microscope : NIKON TE2000 inversé Balayage confocal C1 Micro-spectroscopie résolue en temps: Connection fibrée au système TCSPC FLIM : Portes temporelles programmables (système LIMO®) En cours d'implantation : Caméra haute dynamique Excitation biphotonique FLIM par TCSPC (Carte PicoQuant) Infrastructures de microbiologie (PSM, incubateur) Lifetime (ns) 1 2 3 4 Gate LSCM = Laser scanning confocal microscope TE2000 et Carte PicoQuant = achetés fin 2005 (ACI+ELYSE) Compléments microscope (dont tete de balayage confocal) = prêt/partenariat Nikon Systeme FLIM = prêt/partenariat Nikon Caméra = prêt/Institut Curie POLA = hotte PSM et incubateur Le mode d'excitation biphotonique devrait etre en place courant 2006 Le FLIM par TCSPC va nécessiter un support ingénieur, au moins un homme-an Partenariats : Nikon France et Nikon Europe Cofinancements : ACI sur la NADPH oxydase (LCP, U442 INSERM), POLA, Elyse Collaboration technique : Institut Curie Orsay

43 Approches spectroscopiques des interactions en milieu cellulaire
Photophysique des sondes fluorescentes pour l'imagerie cellulaire sondes dérivées de la GFP : la Cyan Fluorescent Protein Interactions cellulaires des sondes fluorescentes transfert d'énergie de Förster (FRET) physico-chimie du milieu cellulaire Mécanismes moléculaires de la signalisation cellulaire NADPH oxydase (coll. U442 INSERM, Orsay) récepteurs couplés aux protéines G (GPCR) facteurs de transcription

44 Quelques résultats marquants
Photophysique complexe de la Cyan Fluorescent Protein Laguitton-Pasquier et al, en préparation Interactions des sous-unités d'un canal potassique cardiaque (Kv1.5) Erard et al, La photophysique complexe de la CFP (au moins 4 espèces émissives) permet déjà d'expliquer la forte sensibilité environnementale de cette protéine (variations avec pH et T°), qui la rend assez peu adaptée à une imagerie quantitative en milieu cellulaire. Les études sont pousuivies en liaison avec les théoriciens du LCP et des modélisations électrostatiques. Objectif : améliorer la CFP par mutagenèse sur la base d'une bonne copréhension des relations structure-photophysique Le signal de FRET observé pour le canal potassique cardiaque exprimé en cellules modèles (lignées CHO) montre des interactions à courte distance entre sous-unités (formation de tétramères et/ou recrutement en clusters à la membrane). L'effet sur ces interactions de mutations impliquées dans des pathologies cardiaques sera étudié.

45 Collaborations nationales
Orsay U442 INSERM Oliver Nüsse, Laurent Combettes, Jean-Pierre Mauger Institut Curie (Plateforme d'Imagerie) Fabrice Cordelières IGM Orsay Michel Jacquet Paris Institut Pasteur Paris Regis Grailhe, Jean-Pierre Changeux U621 INSERM (Pitié-Salpétrière) Nathalie Neyroud, Stéphane Hatem UFR Médicale des Saints Pères (IFR 95) D. Segretain INRA, Jouy en Josas) Institut NOPA Edith Pajot, Guenhael Sanz Projets CHU Kremlin Bicêtre (IFR 93) Anne Mantel, Marc Lombes Micheline Misrahi, Olivier Lahuna CHU Paul Brousse (IFR 89) Claude Boucheix U442 = NADPH Oxydase Institut Curie = Méthodologies de FRET IGM = Facteurs de transcription dans la levure Institut Pasteur = Méthodologies de FRET U621 = Canal potassique cardiaque IFR95 = dynamique des connexines INRA = Récepteur olfactif (GPCR) KB = Récepteurs stéroidiens et thryroidiens (GPCRs) Paul Brousse = réseaux de Tétraspanines

46 Publications Grailhe R., Merola F., Ridard J., Couvignou S., Le Poupon C., Changeux J.P. & Laguitton-Pasquier H. (2006) "Monitoring protein interactions in the living cell through the fluorescence decays of the Cyan Fluorescent Protein", ChemPhysChem accepté, Demachy I., Ridard J., Laguitton-Pasquier H., Durnerin E., Valverdu G., Archirel P. & Levy B. (2005) "Cyan Fluorescent Protein : molecular dynamics, simulations, and electronic absorption spectrum", J Phys Chem B 109, Amatore C., Arbault S., Bonifas I., Bouret Y., Erard M., Ewing A.G. & L.A. S. (2005) "Correlation between vesicle quantal size and fusion pore release in chromaffin cell exocytosis", Biophysical Journal 88,

47 Centre ELYSE CLIO Accord CNRS/Ministère TGE/TGI
Accord CNRS/Ministère TGE/TGI Direction LCP et deux bureaux de gestion

48 Centre ELYSE CLIO Deux installations dans des phases d’exploitation très différentes, Synergies scientifiques aussi bien entre les chercheurs et enseignants-chercheurs permanents de CLIO et d’ELYSE qu’entre communautés d’utilisateurs : rapprochements thématiques (électrochimie, physico-chimie de biomolécules, spectroscopies…), apport de nouvelles techniques aux recherches menées à ELYSE, etc. L’objectif de ce centre est de s’ouvrir sur la communauté internationale en particulier au niveau européen.

49 Centre ELYSE CLIO Personnel en 2006, 12 chercheurs CNRS
6 universitaires 12 ITA CNRS 2 personnels IATOS. Gestion mutualisée des services communs, 6,5 emplois équivalents temps plein (dont 6 CNRS).

50 Centre ELYSE CLIO un comité de pilotage composé de 4 membres : 2 CNRS et 2 Ministère dont 1 Université Paris-sud 11. un comité scientifique indépendant, composé pour moitié de représentants étrangers. un comité de programme commun CLIO-ELYSE. CLIO est doté d’un comité. Il sera élargi pour être commun au centre ELYSE/CLIO.