Caractérisation moléculaire d’échantillons organiques complexes par spectrométrie de masse et chromatographie en phase liquide

Molecular characterization of complex organic samples by mass spectrometry and liquid chromatography

• Auteur / Autrice : Cédric Wolters
• Direction : Véronique Vuitton, François-Régis Orthous-Daunay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 26/02/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Didier Voisin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Geffroy-Rodier, Carlos Afonso
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Uwe Meierhenrich, Marie-Claire Gazeau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse

Chimie analytique

Chromatographie en phase liquide à hautes performances

Matière organique particulaire

Mots clés libres

Matière organique

Chromatographie en phase liquide

Chimie analytique

Spectrométrie de masse

Organic matter

Mass spectrometry

Liquid chromatography

Analytical chemistry

Résumé

Comment analyser un échantillon organique complexe ? Cette question générale semble simple de prime abord, mais requiert de s’intéresser de plus près à la notion de complexité afin de pouvoir comprendre et justifier les moyens utilisés pour la caractériser. En planétologie, et plus largement en astrophysique, l’ensemble des observations et observables indiquent que la matière qui compose les objets extraterrestres est composée d’un mélange de diverses molécules, et ce mélange est plus ou moins divers en fonction de l’objet. Observations et modélisations sont effectuées couramment pour tenter de comprendre ces objets et de contraindre leurs processus évolutifs.Caractériser la complexité moléculaire de tels objets nécessite des instruments de pointe, qui sont difficilement adaptables aux contraintes spatiales pour être placés sur une sonde, et cela requiert que l’objet étudié puisse être échantillonné. Or, la très grande majorité des objets d’intérêt ne peuvent pas être atteints dans un temps raisonnable. Dès lors, il faut un autre moyen d’étudier ces objets : c’est l’astrophysique de laboratoire. De nombreuses expériences tentent de simuler les objets et environnements dans lequel ils évoluent, et analysent l’évolution de la matière soumise à ces contraintes. Une partie des défis de ces expériences réside dans la caractérisation chimique des échantillons, et plus particulièrement dans leur caractérisation moléculaire.Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d’utiliser la spectrométrie de masse haute résolution (HRMS) et la chromatographie en phase liquide haute performance (HPLC) pour caractériser des échantillons organiques complexes. Pour se faire, l’ensemble de la chaine analytique a été étudiée, depuis l’acquisition des données jusqu’à leur exploitation. Ainsi, nous proposons une optimisation de l’acquisition des données en Orbitrap, ainsi que des systématiques de traitement des données issues des analyses effectuées ESI-HRMS ainsi que pour des analyses effectuées en LDI-ICR. La chromatographie couplée à la spectrométrie de masse est un outil puissant pour accéder à la structure moléculaire des échantillons, et nécessite de développer des méthodes qui soient adaptés aux échantillons analysés. Nous proposons ainsi deux méthodes HPLC pour l’analyse des échantillons, qui ont été développées et validées pour l’analyse d’échantillons complexes. Cependant, aucun logiciel commercial ne permet l’analyse non supervisée de tels échantillons : un logiciel qui permette le traitement de ces données a ainsi été développé et permet de révéler la diversité moléculaire des échantillons sans supervision. Mais l’identification des molécules ainsi détectées n’est pas un processus aisé puisqu’il nécessite alors de posséder l’ensemble des isomères possibles pour chaque molécule détectée. Pour réduire cet espace des possibles, un outil de prédiction des temps de rétention est proposé qui se base sur la connaissance des propriétés physico-chimiques de composés connus afin de prédire, pour ces mêmes composés, leur temps de rétention théorique sur les méthodes utilisées.Ce travail présente dans une dernière partie l’application de l’ensemble des développements effectués au cours de ces trois années sur un jeu d’échantillons d’analogue d’aérosols atmosphériques de synthèse modélisant des exoplanètes de type super-Terres et mini-Neptunes. Depuis l’analyse de leur matière soluble, jusqu’à la comparaison entre phase soluble, insoluble et totale, l’analyse par spectrométrie de masse indique une grande diversité et des différences importantes entre échantillons, indiquant des processus de formation et d’évolution directement liés à la composition du mélange réactif. Enfin, l’analyse par chromatographie d’un de ces échantillons indique de multiples isomères, dont certains pouvant être annotés comme étant des molécules biologiques, potentiellement impliquées dans le processus de l’origine de la vie.

How to analyse a complex organic sample? This general question seems simple at first glance but requires a closer look at the notion of complexity to be able to understand and justify the means used to characterise it. In planetology, and more widely in astrophysics, all the observations and observables indicate that the matter that makes up extraterrestrial objects is composed of a mixture of various molecules, and this mixture is more or less diverse and dense depending on the object. Observations and models are routinely done to try to understand these objects and to constrain their evolutionary processes, or to try to investigate their origin.Characterising the molecular complexity of such objects requires state-of-the-art instruments, which are difficult to adapt to space industry constraints in order to be placed on a probe, and this requires that the object under study can be sampled. However, most objects of interest cannot be reached in a reasonable time. Therefore, another way to study these objects is needed: laboratory astrophysics. Many experiments attempt to simulate the objects and environments in which they evolve and analyse the evolution of matter subjected to these constraints. Part of the challenges of these experiments lies in the chemical characterisation of the samples, and more particularly in their molecular characterisation.As part of this thesis, we proposed to use high-resolution mass spectrometry (HRMS) and high-performance liquid chromatography (HPLC) to characterise complex organic samples. To do so, the entire analytical chain was studied, from the data acquisition to its use. Thus, we proposed an optimisation of the data acquisition in Orbitrap, as well as the systematic processing of the data resulting from the analysis done by ESI-HRMS as well as for the analysis done by LDI-ICR. Chromatography coupled with mass spectrometry is a powerful tool for accessing the molecular structure of samples and requires developing methods that are suited to the samples analysed. Therefore we offered two HPLC methods for sample analysis, which have been developed and validated for the analysis of complex samples. However, no currently available commercial software allowed for the unsupervised analysis of such samples. Software to allow the processing of this data has now been developed and allows the molecular diversity of samples to be revealed without supervision. The identification of the detected molecules is not an easy process since it then requires having all the possible isomers for each molecule detected as standards for reference. To reduce the number of possibilities, a tool for predicting retention times was proposed. This was based on knowledge of the physico-chemical properties of known compounds to predict their theoretical retention time on the methods used.Lastly, this work presents the application of all the developments carried out during these three years on a set of samples of synthetic atmospheric aerosol analogues modelling exoplanets of the super-Earth and mini-Neptunes type. From the analysis of their soluble matter to the comparison between soluble, insoluble, and total phase, analysis by mass spectrometry indicates a great diversity and important differences between samples. This indicates processes of formation and evolution related to the composition of the reactive mixture. Finally, chromatographic analysis of one of these samples indicates multiple isomers, some of which may be labelled as biological molecules, potentially involved in the process of the origin of life.