Modélisation de l’énergie et de l’irradiance dans un spectromètre de masse à source d’ionisation laser

Résumé du document

La spectrométrie de masse est une technique de caractérisation physico-chimique servant à
déterminer les composés d'un échantillon par la mesure de la masse des ions formés à partir des
molécules organiques et/ou inorganiques.
Tout un éventail de techniques permet l'ionisation plus ou moins douce des molécules conduisant
soit à la formation unique de l'ion moléculaire, soit à la formation d'ions fragments permettant
l'étude structurale de l'ion parent. Elles mettent en jeu un bombardement d'électrons (Impact
Electronique), d'atomes (FAB, Fast Atoms Bombardement), d'ions réactifs (chemical ionisation) ou d'ions secondaires (SIMS).
La technique d'ionisation utilisée au laboratoire est l'ionisation par impact laser (LDI-MS). Elle
présente l'avantage d'être sélective (en fonction de la longueur d'onde du laser) et très sensible
comme dans le cas de l'utilisation d'un analyseur à temps de vol (TOF/MS). La spectrométrie de
masse à temps de vol par désorption/ionisation laser (LDI-TOF/MS) trouve l'essentiel de ses applications dans le domaine biologique par l'intermédiaire d'une ionisation assistée par matrice (MALDI).
La spécificité de l'appareil utilisé au LSMCL est d'avoir fait l'objet d'un développement
instrumental. Un laser Nd:YAG a été couplé au spectromètre afin d'étendre sa gamme
d'applications.
Les paramètres du spectromètre, notamment des lasers, varient suivant l'échantillon étudié et
l'application (longueur d'onde, taille du faisceau laser, irradiance). La connaissance de ces
paramètres est donc essentielle puisqu'ils déterminent la nature, la quantité et éventuellement le degré de fragmentation des ions. Ce stage a pour objectif de pouvoir contrôler en ligne l'énergie et
l'irradiance d'un faisceau laser sur la surface de l'échantillon étudié. Pour cela, il a fallu
approfondir la connaissance des éléments optiques et des lasers présents sur le spectromètre de
masse. Afin d'obtenir une première valeur de l'irradiance, il convient d'étudier la répartition
spatiale de l'énergie des deux lasers. Tous ces résultats devront permettre au final d'établir
l'irradiance en ligne.

Extraits

[...] E. Elsila, N. P. de Leon, R. N. Zare, Anal. Chem., 2004; 76; 2430-2437 G. Frache, L.Vernex-Loset, G.Krier, J-F. Muller, Etude de particules émises par des moteurs diesel par désorption/ionisation laser en modeLDI/Ms et L2MS, communication par affiche, congrès JFSM G.Frache, J.Aléon, L.Vernex-Loset, G.Krier, F. [...]

[...] Les minimas des courbes correspondent à un état stable d'énergie minimal pour une distance internucléaire minimale, la molécule peut alors exister. L'énergie de liaison de la molécule est égale à la différence d'énergie entre l'asymptote horizontale d'une courbe et le minimum de cette même courbe. Chacun des segments horizontaux du bas des courbes illustre le mouvement d'oscillation de la distance internucléaire. En effet, les deux atomes d'azote vibrent l'un par rapport à l'autre. Grâce aux règles de sélectivité toutes les transitions radiatives ne sont pas permises. [...]

[...] Répartition spatiale de l'énergie Le deuxième paramètre influant sur l'irradiance est la surface. Elle peut être atteinte par deux moyens : l'étude des profils lasers et des impacts. III Profils lasers Le profil des faisceaux lasers a été enregistré par le biais du capteur CCD du profilomètre afin de s'assurer de leur qualité. Ces profils serviront aussi à évaluer au mieux l'irradiance, ils ont donc été pris perpendiculairement au faisceau. De plus, différentes ouvertures de l'iris ont été testées. Les faisceaux ont été fortement atténués pour ne pas saturer le capteur. [...]

[...] Une amélioration possible, outre l'amélioration du programme pour une meilleure connaissance de l'irradiance, est le remplacement d'une partie des éléments optiques par une fibre optique. En effet, les éléments optiques sont fragiles : ils peuvent être piqués, ce qui nécessite une réévaluation des calculs de transmission lors du changement de l'élément défectueux. La poussière qui se dépose continuellement change aussi la valeur de transmission. Enfin, les éléments sont régulièrement déréglés malgré les précautions prises. La fibre optique permettrait de s'affranchir de ces contraintes. [...]

[...] Contrôle en ligne de l'énergie Le but de l'étude est de connaître l'irradiance (fonction de l'énergie). Le premier point de cette étude consiste donc à déterminer la transmission de chacun des élément optiques (cf figure 2 et 3 page 6 et 7). Ces mesures porteront tout d'abord sur les éléments à transmission fixe, puis sur celle des éléments à transmission variable Afin de connaître l'énergie du faisceau en tout point des parcours optiques, la transmission de chacun des éléments a été déterminée. [...]