La chromatographie gazeuse couplée à de la spectrométrie de masse Orbitrap comme analyseur de matière organique pour des futures missions spatiales

gas chromatography- Orbitrap mass spectrometry as an organic matter analyzer for future space missions

• Auteur / Autrice : Adeline Garcia
• Direction : Grégoire Danger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Chimiques
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences chimiques (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PIIM - Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Astrochimie, Spectroscopie, Théorie, réactivité, Origine
• Jury : Président / Présidente : Barbara D'anna
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégoire Danger, Cornélia Meinert, Pascal Cardinael, Christelle Briois, Gaelle Coussot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Cardinael, Gaelle Coussot

Mots clés

Mots clés libres

GC-FT-Orbitrap-MS

Analyse ciblée

Pyrolyseur-GC-Orbitrap

Analogue de glace pré-cométaire

GC-FT-Orbitrap-MS

Targeted analysis

Pyrolyseur-GC-Orbitrap

Pre-cometary ice analog

Résumé

La question de l’origine de la vie anime depuis toujours la communauté scientifique. Quelle est l’origine de la matière organique ayant permis la vie sur Terre ? Les astéroïdes et les comètes présents dans notre système solaire sont des vestiges de la formation de celui-ci et donc des traceurs pour comprendre la matière organique disponible sur Terre avant l’émergence de systèmes vivants. En effet, ces corps ayant peu évolué, renferment la matière organique initialement présente. Une grande diversité moléculaire a été mise en évidence dans ces corps, notamment des molécules d’intérêt prébiotique. Cette connaissance a été acquise par l’étude des météorites sur Terre et l’analyse in situ de ses corps parents grâce aux missions spatiales. Les instruments analytiques embarqués pour les missions spatiales sont souvent de la spectrométrie de masse, couplée ou non à la chromatographie gazeuse. Cependant, les limites instrumentales du point de vue analytique face à la diversité moléculaire présente sur ces corps nécessitent des technologies analytiques de plus en plus performantes. Dans ce cadre, la spectrométrie de masse haute résolution basée sur la technologie Orbitrap est actuellement en cours de spatialisation par le CNES. Mon travail de thèse s’est inscrit dans ce projet en étudiant les performances du spectromètre de masse Orbitrap couplé à la chromatographie gazeuse selon deux approches. Dans un premier temps, le potentiel de la technologie Orbitrap couplée à la chromatographie gazeuse a été étudié pour de l’analyse ciblée d’acides aminés. Ces molécules d’intérêt sont souvent recherchées lors des missions spatiales. Ce dispositif analytique a démontré sa capacité à séparer 47 énantiomères d’acides aminés d’un mélange standard avec une identification précise grâce à la haute résolution et précision en masse de l’Orbitrap. Une application des conditions optimisées du couplage GC-Orbitrap a été testée pour l'analyse énantiosélective d’acides aminés dansun analogue d'un matériau organique pré-cométaire présentant des similitudes avec certains matériaux organiques extraterrestres. Les résultats obtenus ont motivé l’étude du suivi de l’évolution des acides aminés au sein d’un analogue pré-cométaire soumis à différents temps d’altération aqueuse en utilisant le GC-Orbitrap. Dans un second temps, les performances de ce dispositif analytique ont été étudiées pour de l’analyse non ciblée avec comme méthode d’échantillonnage un pyrolyseur. Différentes méthodes du couplage pyrolyseur GC-MS ont été testées, par l'utilisation du pyrolyseur couplé sans séparation chromatographique à la MS via l’EGA-Orbitrap, puis en y associant la séparation chromatographique lors des analyses par Thermodésorption-GCOrbitrap et pyrolyse-GC-Orbitrap.

The question of the origin of life has always animated the scientific community. What is the origin of the organic matter that made life possible on Earth? The asteroids and comets present in our solar system are remnants of its formation, and are therefore key to understanding the organic matter available on Earth before the emergence of living systems. Indeed, these bodies, having evolved little, contain the organic matter initially present. An important molecular diversity has been revealed in these bodies, including molecules of prebiotic interest. This knowledge has been acquired through the study of meteorites on Earth and in situ analysis of their parent bodies thanks to space missions. The analytical instruments onboard space missions are often mass spectrometry, coupled or not with gas chromatography. However, the analytical limitations of these instruments in the face of the molecular diversity present on these bodies call for increasingly high-performance analytical technologies. In this context, high-resolution mass spectrometry is currently being spatialized by CNES, based on Orbitrap technology. As part of this project, my thesis investigated the performance of the Orbitrap mass spectrometer coupled to gas chromatography, using two approaches. Firstly, the potential of Orbitrap technology coupled to gas chromatography was studied for the targeted analysis of amino acids. These molecules of interest are often sought during space missions. This analytical device has demonstrated its ability to separate 47 amino acid enantiomers from a standard mixture, with precise identification thanks to the Orbitrap's high resolution and mass accuracy. An application of the optimized conditions of the GC-Orbitrap coupling was tested for the enantioselective analysis of amino acids on an analog of a pre-cometary organic material showing similarities with some extraterrestrial organic materials. The results obtained led to the study of the evolution of amino acids subjected to different times of aqueous alteration in an analogous residue of pre-accretionary material by GC-Orbitrap. Secondly, the performance of this analytical device was studied for non-targeted analysis using a pyrolyser as the sampling method. Different analytical techniques for GC-MS pyrolysis coupling were tested, using the pyrolyser coupled without chromatographic separation to MS via EGA-MS, then combining chromatographic separation with Thermodesorption-GC-MS and Pyrolysis-GC-MS analyses.