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

Rayonnement

ionisante-

Radiolyse de l’eau H, HO

Fragmentation,

ionisation des bases

Observer les effets de l‘irradiation de biomolécules à l‘échelle microscopique

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

Pourquoi irradier les agrégats moléculaires en phase gazeuse?

Dispositif DIAM

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

1) Dispositif expérimental

DIAM

Source d’agrégats

Ligne de faisceaux

Faisceaux obtenus

2) Système de détection

COINTOF

Enjeux

Principe

Acquisition

3) AnalyseCID du trimèreProbabilité de détectionRapport de branchement et efficacité

4) La suiteDétection Autres agrégats et protons

Conclusion

Dispositif expérimental

10-4 mbar

P0

diaphragme ( 20 ou 50 μm)

10-6 mbarH2O

He ou Ar

M

vers pompe à diffusion1200 l/s

vers pompe à diffusion1200 l/s

M : manomètre (1mbar-3bar) : vanne : T° régulée (~130°C) : T° régulée (~100°C)P0: Pression de stagnation (1-2bar)

Schéma d’ensemble de la source d’agrégats

ioniseur

filaments de tungstène

Ligne de faisceau

Sélection en énergie

Sélection en masse

Déflecteur électrostatique

Aimant

12/51Guillaume 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

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

H+(H2O)2 H3O+ + H2O

H+(H2O)2 H+ + (H2O)2 (ou H+ + 2H2O)

He

H+(H

2 O)

2

Agrégats d‘eau protonésRéactions possibles:

Détection des fragmentsTOF/MCP/Amp/FastADC (8G ech/sec ou 125psec)

0V

-1836V

150V -150V

-1700VCollision avec le gaz He

H+(H2O) 2 H+(H2O) + H2O

Les neutres conservent la vitesse incidenteLes fragments chargés sont accélérés et atteignent le MCP en premier

0V

-1836V

150V -150V

-1700V

Δt1

Δt1

H+(H2O) 2 H+(H2O) + H2O

Signal sur le MCP

ion

neutre

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

• Travail en faisceau continu• Nombre de fragment pour chaque voie de dissociation• Rapports de branchements accessibles

Avantages

Résolution temporelle de 0.125 nsPas de temps mort à l’intérieur d’un évènement

H+(H2O)3 H+(H2O) + 2(H2O)

Exemple d’acquisition par l’ADC rapide

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

Les différents paramètres restent corrélés entre eux

Exemple d’arbre obtenu avec ROOT

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000

30

60

90C

ount

s

t (nsec)

H+

H+(H2O)

H+(H2O)2

Dissociation de HDissociation de H++(H2O)(H2O)33

+ (H2O)

+ (H2O)2 or many neutral fragments

P.H. Dawson, Int.,J. Mass, Spectrom Ion Phys 43, 195 (1982)

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]

Corrélation

T2-T1

T3-T2

Analyse de données

H+(H2O)2

H+(H2O)

H+

Dissociation induite par collision de H+(H2O)3

Δt en ns

No

mb

re d

’évè

nem

ents

Estimation de la probabilité de détection de l’ion positif

• Hyp: on néglige les voies de dissociation associées à H+

p

p

N

N

nst

nst 1

30,3

30,2

32

21

Voie de dissociation Fragments détectés probabilitéCaractéristiques

H+(H2O)2 + H2O

H+(H2O) + (H2O)2

H+(H2O) + 2 H2O

R1 p+ p

R2 p+ p

R’2 p+ p p

R’2 p+ p (1-p)

R’2 (1-p+) p p

H+(H2O)2, H2O

H+(H2O), (H2O)2

H+(H2O), H2O, H2O

H+(H2O), H2O

H2O, H2O

2 frag. Δt21 grand

2 frag. Δt21 grand

2 frag. Δt21 grand

2 frag. Δt21 petit

3 frag. Δt21 grand Δt32 petit

nst 30lim

coupes dans les données sur le nombre de pics et les différences de temps

Nbre de pics = 2 && Temps2-Temps1<30

Nbre de pics = 3 && Temps3-Temps2<30

Coupes dans les données

395

14951

30,3

30,2

32

21

p

p

N

N

nst

nst

%421p

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

B.L Peko, T.M StephenAbsolute 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

H+(H2O)2

H+(H2O)

H+

Dissociation induite par collision de H+(H2O)3

Δt en ns

No

mb

re d

’évè

nem

ents

Fenêtre d’acquisition

Spectrométrie du nombre de fragments

N(2f) :

N(3f) : H+(H2O) + 2 (H2O)

H+H2O + (H2O)2 Mais c’est un peu plus compliqué!

Il faut prendre en compte la probabilité de détection des différents fragments

Spectrométrie de masse couplée à la mesure du nombre de fragments

Exemple : perte de deux molécules d’eau pour H+(H2O)n

H+(H2O)n H+(H2O)n-2 + (H2O)2

H+(H2O)n-2 + H2O + H2O

1-R

R

Sélection du fragment chargé H+(H2O)n-2: condition sur deltaT entre 1er et 2ème frag.

• 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

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

RP

PRR

N

N

)1(21

3

2

• En 2010

• En 2011

37,016,83

2 N

N

Perte de deux molécules d’eau pourH+(H2O)3 et H+(H2O)2

• En 2010

• En 2011

41,093,143

2 N

N

07,015,53

2 N

N

15,004,103

2 N

N

P2011 < P2010 évolution de la probabilité de détection

Rdimère < Rtrimère

Résolution

• Systèmes d’équation:

• Inconnues:

P2010, P2011, Rd, Rt

t

tt

RP

PRR

2010

2010 )1(2115,5

d

dd

RP

PRR

2010

2010 )1(2116,8

t

tt

RP

PRR

2011

2011)1(2104,10

d

dd

RP

PRR

2011

2011)1(2193,14

Pb: les 4 équations ne sont pas indépendantes

Graphiquement

14.93

8.16

10.04

5.15

0.29 0.49une solution possible

Une autre solution possible

0,2 0,33

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 l’expérience précédente: 21% ± 4%

H+(H2O)2 → H+ + 2H2O  R = 0,39 ± 0,08H+(H2O)2 → H+ + (H2O)2 R’ = (1-R)

H+(H2O)3 → H+(H2O) + 2H2O  R = 0,65 ± 0,15H+(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!

ionNeutre 1

Neutre 2

évènement à 3 fragments : H3O+ et 2 molécules neutres

Différence de temps d’arrivée entre les différents fragments

ionNeutre

H+(H2O)3 H+ (H2O) + 2(H2O) Δt

Δt

dt

dt

Différence de temps d’arrivée entre 2 fragments neutres

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.

∆t neutre 1 – neutre 2 (ns)

Nom

bre

d’év

ènem

ents

20 50 125 220

meV

Collision avec He à vitesse constante (130×103ms-1)

H+(H2O)2 H+ + (H2O)2

H3O+ + H2O

H+(H2O)3 H+ + (H2O)3

H3O+ + (H2O)2

H+(H2O)2 + H2O

H+(H2O)4 H+ + (H2O)4

H3O+ + (H2O)3

H+(H2O)2 + (H2O)2

H+(H2O)3 + H2OH+(H2O)5 H+ + (H2O)5

H3O+ + (H2O)4

H+(H2O)2 + (H2O)3

H+(H2O)3 + (H2O)2

H+(H2O)4 + H2O

H+(H2O)2

H+(H2O)3

H+(H2O)4

H+(H2O)5

H+(H

2O

) 2

H+(H

2O

)

H+(H

2O

) 3

Différence de temps de vol entre le fragment neutre et le fragment chargé

Dissociation induite par collision de H+(H2O)n :

Δt0Δt1Δt2Δt3H+(H2O) H+ + (H2O)

H+(H2O)Δt0

Δt0

Δt0

Δt0

Δt0

Δt1

Δt1

Δt1

Δt1

Δt2

Δt2

Δt2

Δt3

Δt3