Étude de la stabilité d’ions moléculaires solvatés en phase gazeuse : refroidissement et irradiation

Study of solvated molecular ion stability in the gas-phase : cooling and irradiation

• Auteur / Autrice : Paul Bertier
• Direction : Bernadette Farizon-Mazuy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/10/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Dominique Vernhet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Augier, Toshiyuki Azuma, Florent Calvo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrick Rousseau, Henning Schmidt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactions de fragmentation

Rayonnements ionisants

Microagrégats

Mots clés libres

Agrégat moléculaire

État excité

Phase gazeuse

Distribution d’énergie

Fragmentation

Distribution de vitesse

Molecular cluster

Excited state

Gas phase

Energy distribution

Fragmentation

Velocity distribution

Résumé

Les radiations peuvent endommager notre environnement biologique mais elles peuvent aussi être bienfaisantes si elles sont contrôlées. L'action initiale des radiations à l'échelle microscopique consiste en une excitation électronique dans une molécule. L'observation de la redistribution de l'énergie dans l'environnement de cette molécule excitée est primordiale à la compréhension et à la description de l'effet des rayonnements dans les systèmes biomoléculaires. Les agrégats de molécules isolés en phase gazeuse constituent des systèmes modèles prometteurs pour étudier les interactions entre molécules sous irradiation. La première partie de ce travail décrit la construction et la validation d'une ligne de faisceau permettant la production de paquets d'agrégats moléculaires froid injectables dans l'anneau de stockage RICE à RIKEN. La ligne de faisceau est composée d'une source electrospray, d'un filtre en masse quadripolaire, de guides d'ions d'un tube d'accélération, la pièce centrale étant un piège à ions cryogénique refroidi à 4 K. Le paquet d'ions froids, dont les ions ont été sélectionnés en masse et accélérés jusqu'à 20 keV, a été sondé avec un laser. La ligne a été validée par la mesure d'un spectre d'action du bleu de méthylène. La seconde partie de ce travail s'appuie sur les expériences réalisées auprès du dispositif d'irradiation d'agrégats moléculaires (DIAM-IPNL). La méthode COINTOF-VMI permet la mesure de la distribution de vitesse des molécules d'eau évaporées à partir d'un agrégat après collision à haute vitesse avec un atome d'argon. Les distributions de vitesse mesurées pour des agrégats mixtes pyridine protonée et eau présentent deux composantes : une partie à basse vitesse qui correspond à une évaporation après redistribution de l'énergie dans l'agrégat, et une partie à haute vitesse où la molécule d'eau est évaporée avant redistribution de l'énergie. La comparaison des résultats avec les distributions calculées par dynamique moléculaire statistique montre que la partie basse vitesse peut être interprétée comme la contribution des deux possibilités d'excitation induites par la collision : l'excitation de la pyridine protonée ou l'excitation d'une des molécules d'eau

Radiation can damage our biological environment, but it can also be beneficial under certain controlled conditions. Initial action at microscopic scale consists of electronic excitation in molecules. The redistribution of this excitation energy to the environment is the primary process to be understood to describe the radiation effect on biomolecular system. Isolated molecular clusters in gas-phase are a promising model system to study the molecular interaction under radiation.The first part of this work describes the construction and the validation of a beamline which can produce bunches of cold molecular cluster ions to be injected in the RIKEN cryogenic electrostatic (RICE} storage ring. The beamline is composed of an electrospray ion source, a quadrupole mass filter, ion guides and an acceleration tube; with the main part being a cryogenic ion trap cool down to SK. The cold ion bunches, in which the ions have been mass selected and accelerated to 20keV, was probed with a laser. The beamline was successfully taken into operation and a measurement of the methylene blue action spectrum in gas-phase was carried out. The second part of this work rely on experiment realized with the dispositif d'irradiation d'agrégats moléculaires (DIAM-IPNL}. The COINTOF-VMI method allows the measurement of the velocity distributions of evaporated molecules from a cluster after high velocity collisions with an argon atom. The velocity distribution measured for mixed clusters protonated pyridine and water has two components: a low velocity part which corresponds to the evaporation of a water molecule after energy redistribution in the cluster, and a high velocity part in which the molecule is evaporated before total energy redistribution. Comparison with the distribution calculated by statistic molecular dynamic simulation shows that the low velocity part can be interpreted as the contribution of two possible excitations induced by collision: excitation on protonated pyridine and excitation on a water molecule