Enquête expérimentale sur la détection in situ de composés organiques par chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse dans le contexte de missions martiennes

Investigation into the in situ detection of organic compounds by gas chromatography-mass spectrometry in the context of martian surface missions

• Auteur / Autrice : Melissa Guzman
• Direction : Cyril Szopa, Caroline Freissinet, Arnaud Buch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : François Poulet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cornelia Meinert, Frances Westall, Olivier Poch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cornelia Meinert, Frances Westall

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse

Chromatographie en phase gazeuse

Recherche sur le terrain

Teneur en composés organiques

Mars (planète) -- Exploration

Mots clés libres

Molécules organiques

Mars Science Laboratory

Mars

Exomars 2020

Chromatographie gaz

Exploration spatiale in situ

Gas chromatographie

In situ space exploration

Mars Science Laboratory

Mars

Exomars 2020

Organic molecules

Résumé

La question de savoir si la vie terrestre est unique dans l'univers est une question philosophique et scientifique qui a captivé l'humanité depuis l'Antiquité. Cette thèse aborde ces questions scientifiques et techniques à partir de l'idée que la vie est composée et peut générer de la matière organique. Cette thèse se concentre sur la recherche de matière organique à la surface de Mars par chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS) à bord du Viking Lander, la future expérience Mars Organic Molecule Analyzer (MOMA) de la mission Exomars, et avec quelques applications à l'analyse d'échantillons sur Mars (SAM) à bord de Mars Science Laboratory (MSL). Dans cette thèse, les ensembles de données Viking GC-MS ont été réexaminés et les résultats ont prouvé la présence de chlorobenzène, un produit de réaction potentiel du carbone martien et du chlore martien pendant la pyrolyse. Les performances du système chromatographique intégré ExoMars MOMA sont évaluées par des expériences réalisées avec un dispositif de laboratoire qui reproduit la configuration de vol et imite les conditions de fonctionnement in situ. Les résultats démontrent la capacité du sous-système GC à identifier un large éventail de composés volatils organiques et inorganiques, y compris les signatures biomoléculaires, au sein du fonctionnement contraint conditions de MOMA. Ensuite, le protocole de pyrolyse et de chimie humide sur MOMA GC-MS est exploré avec un ensemble plus complexe d'échantillons dans lesquels les composés organiques sont adsorbés sur um matrice minérale de montmorillonite en fonction des concentrations et avec ou sans addition de perchlorate de magnésium. Cette étude montre que le package MOMA GC-MS permet la détection de chaque molécule organique cible ou de ses produits en présence du minéral argileux. Enfin, des perspectives sont présentées sur les complexités spécifiques aux échantillons naturels plus complexes (par exemple, suites d'espèces, traces de matières organiques) et à l'expérimentation spatiale (par exemple, systèmes complexes de traitement de gaz, piégeage par adsorption / désorption) qui peuvent présenter des défis uniques pour les expériences à la surface de Mars dans l'identification stricte de composés cibles tels que les acides aminés. Les résultats présentés dans cette thèse réévaluent l’interprétation des données de la mission précédente Mars GC-MS et aideront collectivement à la mise en œuvre des opérations sur Mars et à l’interprétation des potentielles données qui seront obtenues avec l’expérience MOMA d’ExoMars. De plus, cette thèse offre des résultats et des discussions qui peuvent être appliqués à l'interprétation de l'analyse SAM GC-MS actuellement en cours sur Mars.

The question of if terrestrial life is alone in the universe is a philosophical and scientific question that has captivated humanity since ancient times. This thesis approaches its science and technical questions from the idea that life is composed of, and generates, organic matter. This thesis focuses on the search for organic matter on the surface of Mars by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) onboard the Viking Lander, the future ExoMars Mars Organic Molecule Analyser (MOMA) experiment, and with applications to the Sample Analysis at Mars (SAM) experiment onboard the Mars Science Laboratory (MSL). In this thesis, the Viking GC-MS data sets have been reexamined and evidence is presented for the presence of chlorobenzene, a potential reaction product of martian carbon and martian chlorine during pyrolysis. The performance of the ExoMars MOMA integrated chromatographic system is assessed by experiments carried out with a laboratory setup that reproduces the flight configuration and mimics in situ operating conditions. Results demonstrate the ability of the GC subsystem to identify a wide range of organic and inorganic volatile compounds, including biomolecular signatures, within the constrained operating conditions of MOMA. Next, the MOMA GC-MS pyrolysis and wet chemistry protocol is explored with a more complex set of samples in which organic compounds are adsorbed to amontmorillonite mineral matrix across concentrations and with or without the addition of magnesium perchlorate. This study shows that the MOMA GC-MS package enables detection of each target organic molecule or its products in the presence of the clay mineral. Finally, perspectives are presented on the specific complexities to more complex natural samples (e.g., suites of species, trace organics) and to space experimentation (e.g., complex gas processing systems, adsorption/desorption trapping) that can present unique challenges for Mars surface experiments in the strict identification of target compounds such as amino acids. The results presented in this thesis reevaluate the interpretation of past Mars GC-MS mission data and will collectively aid in the implementation of Mars surface operations and the interpretation of potential data obtained by ExoMars’s MOMA experiment. In addition, this thesis offers results and discussion that can be applied to the interpretation of the SAM GC-MS analysis currently operating on Mars.