Cécile Teyssier Groupe IPM Séminaire 2ème année DIAM: Développement d’une nouvelle technique de spectrométrie de masse, COINTOF-MS, pour l’étude de processus de fragmentation de nano-systèmes Cécile Teyssier Groupe IPM Séminaire 2ème année

Pourquoi irradier les agrégats moléculaires en phase gazeuse? Rayonnement ionisant Observer les effets de l‘irradiation de biomolécules à l‘échelle microscopique e- Radiolyse de l’eau H, HO Fragmentation, ionisation des bases Influence de l‘environnement (biomolécules entourées d‘eau) Effet direct : l’énergie du rayonnement ionisant est absorbée par l’ADN Effet indirect : l’énergie du rayonnement ionisant est absorbée par les molécules entourant l’ADN Dispositif DIAM

Notre particularité Démarche usuelle: collision ion-base de l’ADN, 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.

Techniques standards d’observation par Spectrométrie de Masse détection des fragments chargés Informations sur les fragments neutres via calculs (DFT, …) A.Le Padellec et al., J.of Physics 101 012007 (2008)

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 d’une même dissociation moléculaire sur le même détecteur Analyse de données via ROOT

Introduction Dispositif expérimental DIAM Source d’agrégats 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

Dispositif expérimental

Schéma d’ensemble de la source d’agrégats filaments de tungstène vers pompe à diffusion 1200 l/s vers pompe à diffusion 1200 l/s M He ou Ar P0 H2O 10-4 mbar 10-6 mbar diaphragme ( 20 ou 50 μm) ioniseur M : manomètre (1mbar-3bar) : vanne : T° régulée (~130°C) : T° régulée (~100°C) P0: Pression de stagnation (1-2bar)

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

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

Faisceaux obtenus en sortie de l’aimant Résolution en masse: 1/181

Système de détection

Les enjeux Développement d’un nouveau système d’analyse à temps de vol en tandem permettant la détection corrélée des fragments chargés et neutres issus d’un 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

Description du principe sur un exemple: H+(H2O)2 Collision avec He He H+(H2O)2 Agrégats d‘eau protonés Réactions possibles: Détection des fragments TOF/MCP/Amp/FastADC (8G ech/sec ou 125psec) H+(H2O)2  H3O+ + H2O H+(H2O)2  H+ + (H2O)2 (ou H+ + 2H2O) 17

Collision avec le gaz He H+(H2O) 2 H+(H2O) + H2O 150V -150V -1836V 0V Collision avec le gaz He -1700V Ce schéma illustre le TOF qui va permettre l’accélération du fragment chargé afin de créer un dt avec les neutres. Vous voyez l’agrégat en haut qui va se fragmenter en 2 parties : une chargée qui sera accélérée et une partie neutre ou sa vitesse restera constante. En bas vous voyez le signal du faisceau qui est apparu par l’ADC qui permet de mesurer le dt et ainsi l’enregistrer dans un histogramme Ceci est un évènement mais pour avoir une bonne statistique il faut obtenir au moins 200k de ces fichiers Les neutres conservent la vitesse incidente Les fragments chargés sont accélérés et atteignent le MCP en premier 18

H+(H2O) 2 H+(H2O) + H2O 150V -150V -1836V Δt1 0V -1700V ion neutre Ce schéma illustre le TOF qui va permettre l’accélération du fragment chargé afin de créer un dt avec les neutres. Vous voyez l’agrégat en haut qui va se fragmenter en 2 parties : une chargée qui sera accélérée et une partie neutre ou sa vitesse restera constante. En bas vous voyez le signal du faisceau qui est apparu par l’ADC qui permet de mesurer le dt et ainsi l’enregistrer dans un histogramme Ceci est un évènement mais pour avoir une bonne statistique il faut obtenir au moins 200k de ces fichiers neutre Δt1 Signal sur le MCP 19

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

Exemple d’acquisition par l’ADC rapide Résolution temporelle de 0.125 ns Pas de temps mort à l’intérieur d’un évènement H+(H2O)3  H+(H2O) + 2(H2O)

Gestion des données Pour mener une étude statistique → grande quantité de fichiers (typiquement 1 million) Stockage au Centre de Calcul de l’IN2P3 Classification des données par le logiciel ROOT Logiciel développé par le CERN pour l’analyse et la présentation des données et conçu à l’origine pour la physique des particules Création des fichiers au format .root avec une organisation en arbre, branche et feuille Pré-analyse

Feuilles de la branche "pic01" Exemple d’arbre obtenu avec ROOT Feuilles de la branche "pic01" Branches Les différents paramètres restent corrélés entre eux 23

Dissociation de H+(H2O)3 P.H. Dawson, Int.,J. Mass, Spectrom Ion Phys 43, 195 (1982) + (H2O)2 or many neutral fragments Ici je présente un spectre de masse non standard de fragments produits par dissociation d un trimère d eau protoné. En effet, pour un spectre de masse standard, les fragments les plus légers arrivent les les premier ex. H+. Or ici, ce dont plutots les fragments les plus massifs qui arrivent d abord car le DT est le plus petit. L observation est conforme à ce qui a été observé ultérieurement (Dawson). Prenons la production de H+H2O: il peut etre accompagné d un dimere d eau ou de deux monomeres d eau. Pour cela, on peut selectionner que cette voie de dissociation en mettant une fenetre sur le DT ad-hoc 24

Sélection d’évènements: déclenchement par un trigger externe

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

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

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

T2-T1 Corrélation T3-T2

Analyse de données

Dissociation induite par collision de H+(H2O)3 Nombre d’évènements H+ Δt en ns

Estimation de la probabilité de détection de l’ion positif Hyp: on néglige les voies de dissociation associées à H+ Voie de dissociation Fragments détectés Caractéristiques probabilité H+(H2O)2 + H2O H+(H2O)2, H2O 2 frag. Δt21 grand R1 p+ p H+(H2O) + (H2O)2 H+(H2O), (H2O)2 2 frag. Δt21 grand R2 p+ p H+(H2O) + 2 H2O H+(H2O), H2O, H2O 3 frag. Δt21 grand R’2 p+ p p Δt32 petit coupes dans les données sur le nombre de pics et les différences de temps H+(H2O), H2O 2 frag. Δt21 grand R’2 p+ p (1-p) H2O, H2O R’2 (1-p+) p p 2 frag. Δt21 petit

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

Comparaison Énergie de l’ion dans notre expérience: 8*19/55+1.7=4.5keV Ramenée à une masse pour comparaison: 4.5/19=0.235keV 26% N.B.: Pas le même MCP 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)

Dissociation induite par collision de H+(H2O)3 Nombre d’évènements Fenêtre d’acquisition H+ Δt en ns

Spectrométrie du nombre de fragments N(2f) : H+H2O + (H2O)2 Mais c’est un peu plus compliqué! Il faut prendre en compte la probabilité de détection des différents fragments N(3f) : H+(H2O) + 2 (H2O) On peut compter le nombre de cas à 2 fragments (production d un dimere) et de cas à 3 fragments (production de 2 monmeres). Et obtenir le rapport de branchement de production de neutres. Mais probleme : il faut tenir compte de la probabilité de detection 36

Spectrométrie de masse couplée à la mesure du nombre de fragments Exemple : perte de deux molécules d’eau pour H+(H2O)n Sélection du fragment chargé H+(H2O)n-2: condition sur deltaT entre 1er et 2ème frag. H+(H2O)n H+(H2O)n-2 + (H2O)2 H+(H2O)n-2 + H2O + H2O 1-R R cas 1: production du dimère neutre cas 2: production de 2 molécules d’eau Détection de 3 fragments : cas 2 N3 = I x R2 x R x P+ x P x P Détection de 2 fragments: cas 1 OU cas 2 avec détection d’un seul neutre sur les deux N2 = I x R2 x (1-R) x P+ x P + I x R2 x R x P+ x P x (1-P) + I x R2 x R x P+ x (1-P) x P

Perte de deux molécules d’eau pour H+(H2O)3 et H+(H2O)2 En 2010 En 2011 En 2010 En 2011 P2011 < P2010 évolution de la probabilité de détection Rdimère < Rtrimère

Résolution Systèmes d’équation: Inconnues: P2010, P2011, Rd, Rt Pb: les 4 équations ne sont pas indépendantes

Graphiquement 14.93 10.04 8.16 5.15 une solution possible 0.29 0.49 0,2 0,33 Une autre solution possible

Estimation des probabilités de détection et rapports de branchement Hyp: probabilités de détecter chargés et neutres identiques Proba en 2011 trouvée dans l’expérience précédente: 21% ± 4% Proba détection 2010: 35% ± 7% Proba détection 2011: 21% ± 4% Rapport de branchement dimère: Rapport de branchement trimère: H+(H2O)2 → H+ + 2H2O  R = 0,39 ± 0,08 H+(H2O)2 → H+ + (H2O)2 R’ = (1-R) H+(H2O)3 → H+(H2O) + 2H2O  R = 0,65 ± 0,15 H+(H2O)3 → H+(H2O) + (H2O)2 R’ = (1-R)

La suite…

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

Futures expériences Le faisceau de protons sera opérationnel le mois prochain. → irradiation de nanosystèmes à étudier Agrégats de biomolécules entourées de molécules d’eau. Expériences prévues avec la pyridine (cycle de l’ADN)

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

Merci de votre attention!

Différence de temps d’arrivée entre les différents fragments ion Neutre dt Δt H+(H2O)3  H+ (H2O) + 2(H2O) ion Neutre 2 Neutre 1 évènement à 3 fragments : H3O+ et 2 molécules neutres 48

Différence de temps d’arrivée entre 2 fragments neutres 20 50 125 220 meV Nombre d’évènements Typiquement l’ordre d’énergie de vibration des agrégats ∆t neutre 1 – neutre 2 (ns) La différence de temps est liée à une différence de vitesse. La différence de vitesse est liée à l’état d’énergie de l’agrégat. 49

Dissociation induite par collision de H+(H2O)n : Collision avec He à vitesse constante (130×103ms-1) H+(H2O) H+(H2O)3 H+(H2O)2 Différence de temps de vol entre le fragment neutre et le fragment chargé Δt0 Δt0 Δt3 Δt2 Δt1 H+(H2O)  H+ + (H2O) H+(H2O) H+(H2O)2  H+ + (H2O)2  H3O+ + H2O Δt0 H+(H2O)2 Δt1 H+(H2O)3  H+ + (H2O)3  H3O+ + (H2O)2  H+(H2O)2 + H2O Δt0 Δt1 H+(H2O)3 Δt2 H+(H2O)4  H+ + (H2O)4  H3O+ + (H2O)3  H+(H2O)2 + (H2O)2  H+(H2O)3 + H2O Δt0 Δt1 H+(H2O)4 Δt2 Δt3 H+(H2O)5  H+ + (H2O)5  H3O+ + (H2O)4  H+(H2O)2 + (H2O)3  H+(H2O)3 + (H2O)2  H+(H2O)4 + H2O Δt0 Δt1 H+(H2O)5 Δt2 Δt3

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