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DIAM: Développement dune nouvelle technique de spectrométrie de masse, COINTOF-MS, pour létude de processus de fragmentation de nano-systèmes Cécile Teyssier.

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1 DIAM: Développement dune nouvelle technique de spectrométrie de masse, COINTOF-MS, pour létude de processus de fragmentation de nano-systèmes Cécile Teyssier Groupe IPM Séminaire 2 ème année

2 Rayonnement ionisant e-e- Radiolyse de leau H, HO Fragmentation, ionisation des bases Observer les effets de lirradiation de biomolécules à léchelle microscopique Influence de lenvironnement (biomolécules entourées deau) Effet direct : lénergie du rayonnement ionisant est absorbée par lADN Effet indirect : lénergie du rayonnement ionisant est absorbée par les molécules entourant lADN Pourquoi irradier les agrégats moléculaires en phase gazeuse? Dispositif DIAM

3 Notre particularité Démarche usuelle: collision ion-base de lADN, détection des fragments chargés par bouffées, calculs pour déduire les possibilités de formation de neutres. pas de preuves directes de neutres, simulation de dose Notre approche: COINTOF (COrrelation of Ions and Neutrals in a Time Of Flight spectrometer): détection évènement par évènement des fragments chargés et neutres sur le même détecteur.

4 Techniques standards dobservation par Spectrométrie de Masse détection des fragments chargés Informations sur les fragments neutres via calculs (DFT, …) A.Le Padellec et al., J.of Physics (2008)

5 Notre particularité COINTOF-MS (COrrelation of Ions and Neutrals in a Time Of Flight Mass Spectrometer): Détection évènement par évènement des fragments chargés et neutres issus dune même dissociation moléculaire sur le même détecteur Analyse de données via ROOT

6 Introduction 1)Dispositif expérimental DIAM Source dagrégats Ligne de faisceaux Faisceaux obtenus 2) Système de détection COINTOF Enjeux Principe Acquisition 3) Analyse CID du trimère Probabilité de détection Rapport de branchement et efficacité 4) La suite Détection Autres agrégats et protons Conclusion

7 Dispositif expérimental

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10 10 -4 mbar P0P0 diaphragme ( 20 ou 50 μm) mbar H2OH2O He ou Ar M vers pompe à diffusion 1200 l/s vers pompe à diffusion 1200 l/s M : manomètre (1mbar-3bar) : vanne : T° régulée (~130°C) : T° régulée (~100°C) P 0 : Pression de stagnation (1-2bar) Schéma densemble de la source dagrégats ioniseur filaments de tungstène

11 Ligne de faisceau Sélection en énergie Sélection en masse Déflecteur électrostatique Aimant

12 12/51 Guillaume Bruny Groupe IPM Soutenance de thèse 3 décembre 2010 Profil du faisceau après sélection en énergie Profil du faisceau après passage dans les quadripôles Profil du faisceau observé dans les chambres à fils

13 Faisceaux obtenus en sortie de laimant Résolution en masse: 1/181

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15 Système de détection

16 Les enjeux Développement dun nouveau système danalyse à temps de vol en tandem – permettant la détection corrélée des fragments chargés et neutres issus dun même agrégat Pour chaque ion parent, le signal sur le détecteur est enregistré. permet de déterminer le nombre de fragments associés à une voie de dissociation –détection sur un seul détecteur : ne nécessite pas de signal externe pour la référence des mesures de temps de vol permet de travailler en faisceau continu garantissant un fort taux de répétition

17 Description du principe sur un exemple: H + (H 2 O) 2 Collision avec He H + (H 2 O) 2 H 3 O + + H 2 O H + (H 2 O) 2 H + + (H 2 O) 2 (ou H + + 2H 2 O) He H + (H 2 O) 2 Agrégats deau protonés Réactions possibles: Détection des fragments TOF/MCP/Amp/FastADC (8G ech/sec ou 125psec)

18 0V -1836V 150V-150V -1700V Collision avec le gaz He H + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) + H 2 O Les neutres conservent la vitesse incidente Les fragments chargés sont accélérés et atteignent le MCP en premier

19 0V -1836V 150V-150V -1700V Δt1Δt1 Δt1Δt1 H + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) + H 2 O Signal sur le MCP ion neutre

20 Identification des fragments évènement par évènement Vitesse des fragments neutres = vitesse de lion parent temps darrivée des neutres sert de référence pour une vitesse donnée, chaque différence de temps est associée à un fragment chargé particulier Travail en faisceau continu Nombre de fragment pour chaque voie de dissociation Rapports de branchements accessibles Avantages

21 Résolution temporelle de ns Pas de temps mort à lintérieur dun évènement H + (H2O)3 H+(H2O) + 2(H2O) Exemple dacquisition par lADC rapide

22 Gestion des données Pour mener une étude statistique grande quantité de fichiers (typiquement 1 million) Stockage au Centre de Calcul de lIN2P3 Classification des données par le logiciel ROOT Logiciel développé par le CERN pour lanalyse et la présentation des données et conçu à lorigine pour la physique des particules Création des fichiers au format.root avec une organisation en arbre, branche et feuille Pré-analyse

23 Les différents paramètres restent corrélés entre eux Exemple darbre obtenu avec ROOT

24 H+H+ H + (H 2 O) H + (H 2 O) 2 Dissociation de H + (H2O) 3 + (H 2 O) + (H 2 O) 2 or many neutral fragments P.H. Dawson, Int.,J. Mass, Spectrom Ion Phys 43, 195 (1982)

25 Sélection dévènements: déclenchement par un trigger externe

26 Vérification des paramètres expérimentaux Seuil en amplitude 1 er pic: 8mV

27 Vérification des paramètres expérimentaux Seuil en amplitude 2 ème pic: 14mV

28 Vérification des paramètres expérimentaux Fenêtre en temps [200;400]

29 Corrélation T2-T1 T3-T2

30 Analyse de données

31 H + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) H+H+ Dissociation induite par collision de H + (H 2 O) 3 Δt en ns Nombre dévènements

32 Estimation de la probabilité de détection de lion positif Hyp: on néglige les voies de dissociation associées à H + Voie de dissociationFragments détectésprobabilitéCaractéristiques H + (H 2 O) 2 + H 2 O H + (H 2 O) + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) + 2 H 2 O R 1 p + p R 2 p + p R 2 p + p p R 2 p + p (1-p) R 2 (1-p +) p p H + (H 2 O) 2, H 2 O H + (H 2 O), (H 2 O) 2 H + (H 2 O), H 2 O, H 2 O H + (H 2 O), H 2 O H 2 O, H 2 O 2 frag. Δt 21 grand 2 frag. Δt 21 petit 3 frag. Δt 21 grand Δt 32 petit coupes dans les données sur le nombre de pics et les différences de temps

33 Nbre de pics = 2 && Temps2-Temps1<30 Nbre de pics = 3 && Temps3-Temps2<30 Coupes dans les données

34 Comparaison Énergie de lion dans notre expérience: 8*19/55+1.7=4.5keV Ramenée à une masse pour comparaison: 4.5/19=0.235keV B.L Peko, T.M Stephen Absolute detection efficiencies of low energy H,H,H+,H+2, H+3 incident on a multichannel plate detector, Nucl. Instum. Methods in Physics Research B, 171, 597 (2000) 26% N.B.: Pas le même MCP

35 H + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) H+H+ Dissociation induite par collision de H + (H 2 O) 3 Δt en ns Nombre dévènements Fenêtre dacquisition

36 Spectrométrie du nombre de fragments N(2f) : N(3f) : H + (H 2 O) + 2 (H 2 O) H + H 2 O + (H 2 O) 2 Mais cest un peu plus compliqué! Il faut prendre en compte la probabilité de détection des différents fragments

37 Spectrométrie de masse couplée à la mesure du nombre de fragments Exemple : perte de deux molécules deau pour H + (H 2 O) n H + (H 2 O) n H + (H 2 O) n-2 + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) n-2 + H 2 O + H 2 O 1-R R Sélection du fragment chargé H + (H 2 O) n-2 : condition sur deltaT entre 1er et 2ème frag. Détection de 2 fragments: cas 1 OU cas 2 avec détection dun seul neutre sur les deux N 2 = I x R 2 x (1-R) x P + x P + I x R 2 x R x P + x P x (1-P) + I x R 2 x R x P + x (1-P) x P cas 1: production du dimère neutre cas 2: production de 2 molécules deau Détection de 3 fragments : cas 2 N 3 = I x R 2 x R x P + x P x P

38 En 2010 En 2011 Perte de deux molécules deau pour H + (H 2 O) 3 et H + (H 2 O) 2 En 2010 En 2011 P 2011 < P 2010 évolution de la probabilité de détection R dimère < R trimère

39 Résolution Systèmes déquation: Inconnues: P 2010, P 2011, R d, R t Pb: les 4 équations ne sont pas indépendantes

40 Graphiquement une solution possible Une autre solution possible 0,20,33

41 Estimation des probabilités de détection et rapports de branchement Proba détection 2010: 35% ± 7% Proba détection 2011: 21% ± 4% Rapport de branchement dimère: Rapport de branchement trimère: Hyp: probabilités de détecter chargés et neutres identiques Proba en 2011 trouvée dans lexpérience précédente: 21% ± 4% H + (H 2 O) 2 H + + 2H 2 O R = 0,39 ± 0,08 H + (H 2 O) 2 H + + (H 2 O) 2 R = (1-R) H + (H 2 O) 3 H + (H 2 O) + 2H 2 O R = 0,65 ± 0,15 H + (H 2 O) 3 H + (H 2 O) + (H 2 O) 2 R = (1-R)

42 La suite…

43 Détection Nouveau TOF linéaire de plus grande acceptance Détecteur à localisation spatiale Couplage possible avec un TOF orthogonal

44 Futures expériences Le faisceau de protons sera opérationnel le mois prochain. irradiation de nanosystèmes à étudier Agrégats de biomolécules entourées de molécules deau. Expériences prévues avec la pyridine (cycle de lADN)

45 Conclusion La nouvelle méthode COINTOF est très prometteuse (brevet déposé niveau national, niveau international en cours) De belles expériences en perspective…

46 Merci de votre attention!

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48 ion Neutre 1 Neutre 2 évènement à 3 fragments : H 3 O + et 2 molécules neutres Différence de temps darrivée entre les différents fragments ion Neutre H + (H 2 O) 3 H + (H 2 O) + 2(H 2 O) ΔtΔt ΔtΔt dt

49 Différence de temps darrivée entre 2 fragments neutres La différence de temps est liée à une différence de vitesse. La différence de vitesse est liée à létat dénergie de lagrégat. t neutre 1 – neutre 2 (ns) Nombre dévènements meV

50 Collision avec He à vitesse constante (130×10 3 ms -1 ) H + (H 2 O) 2 H + + (H 2 O) 2 H 3 O + + H 2 O H + (H 2 O) 3 H + + (H 2 O) 3 H 3 O + + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) 2 + H 2 O H + (H 2 O) 4 H + + (H 2 O) 4 H 3 O + + (H 2 O) 3 H + (H 2 O) 2 + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) 3 + H 2 O H + (H 2 O) 5 H + + (H 2 O) 5 H 3 O + + (H 2 O) 4 H + (H 2 O) 2 + (H 2 O) 3 H + (H 2 O) 3 + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) 4 + H 2 O H + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) 3 H + (H 2 O) 4 H + (H 2 O) 5 H + (H 2 O) 2 H + (H 2 O) H + (H 2 O) 3 Différence de temps de vol entre le fragment neutre et le fragment chargé Dissociation induite par collision de H + (H 2 O) n : Δt0Δt0 Δt1Δt1 Δt2Δt2 Δt3Δt3 H + (H 2 O) H + + (H 2 O) H + (H 2 O) Δt0Δt0 Δt0Δt0 Δt0Δt0 Δt0Δt0 Δt0Δt0 Δt1Δt1 Δt1Δt1 Δt1Δt1 Δt1Δt1 Δt2Δt2 Δt2Δt2 Δt2Δt2 Δt3Δt3 Δt3Δt3

51 Emplacement des fentes et dispositif de diagnostic déflecteur électrostatique aimant Enveloppe des faisceaux, calculs par Transport Hadinger, LYCEN RI 2000/57,Juin 2000 Enveloppe de faisceau


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