Caractérisation par désorption / ionisation laser couplée à la spectrométrie de masse de particules

296 Pages·2005·16.11 MB·French

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EcoleD oetorale
SESAMES *
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THESE
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présentéep our obtenirl e graded e I 'o I I
DOCTEUR DE L'T.INIVERSITED
Spécialité : Chimie-Physique
par
Vincent CARRÉ
Caractérisation par désorption/ionisationl aser couplée à
la spectrométried e massed e particulesé misesp ar des
véhiculesd iesel
Mise en place d'une méthodei mpliquant la formation de
complexesà transfert de charge
Soutenuep ubliquement le l2 décembre2 003 devant la Commissiond 'Examen composéed e :
Rapperteurs Jean-PierreS chermannnP rofesseuàr l'UniversitéP arisX Itr.
Jean-ClaudeT abet, Professeuàr I'UniversitéP iene et Marie Curie.
Présidentd uj ury Claude-EtienneP aillard, Professeuàr l'Universitéd ' OrléansL, CSR.
Directeur de thèse Jean-FrançoisM uller, Professeuàr I'Universitéd e Metz.
Examinateurs Gabriel Krier,Ingénietr der echercheà l'Universitéd e Metz.
PascalM anuelli,Ingénieurd e rechercheg,r oupeT OTAL.
Membrei nvité Christine Joblin-Toublanc, Chargéed e RechercheC NRS, CESR
Toul^"'-
BIBLIOTHEAUUEN IVERSITAIRDEE METZ
|f lilillllil lll lll l]iflll fll iillll l llliiiillll
031 5205462
Cetteé tudea été réalisées ousl a directiond u ProfesseuJr ean-FrançoisM uller au Laboratoire de
Spectromëtried e Masse et ChimieL aser de I'Université de Metz en collaboration avec le centre
de recherched e Gonfreville du groupe TOTAL. Je tiens en premier lieu à remercier la société
TOTALp our avoirfinancé cesr echerchesd ansl e cadred 'une conventionC IFRE.
J'exprime ma profonde et sincère gratitude à Monsieur Jean-FrançoisM uller pour m'avoir
accueillic haleureusemenatu seind e son laboratoirep, our la confianceq u'il a placéee n moi, le
dévouementa vec lequel il a dirigé cette étude tout en ayant le soucis du développemendt e
l'autonomie dans le travail, du sensc ritique et de l'échangen écessaireà l'évolution d'un projet
de manièrep ertinente et constructive.M erci pour cettef ormation remplie d'encouragementse t
d'échangess cientifiquese t humains.
Au mêmet itre, je tiens à adresserm esp lus sincèresr emerciementsà Monsieur Gabriel Krier
(Ingénieur de Recherche- HDR) autant pour sa formation et son encadrementt echnique et
scientifiqueq uep our sa disponibilité.J e Ie remercieé galemenpt our les momentsp artagés et ses
encouragementsto ut au long de la thèse,a insi que pour son investissemendt ans l'équipe de
recherchee t technologie.
Mes remerciementsl es plus vtfs s'adressent également à Messieurs Jean-Claude Tabel,
Professeur à l'(Jniversité de Pierre et Marie Curie et Jean-PierceS chermann,P rofesseur à
I'UniversitéP aris KII, pour I'honneurq u'ils m'ont témoignée n acceptandt ej uger ce travail.
Tout particulièrement, c'est avec plaisir et reconnaissanceq ue ie remercie Monsieur Pascal
Manuelli, Ingénieur de Recherchea u centred e recherched u groupe TOTAL à Gonfreville,p our
sesc onnaissancese t sesc ompétencesta nt au niveaup roduits pétroliers qu'en terme de chimie
analytiquesq ui ont permis de discuterd es orientationsd e ce travail. Je le remercied 'autant plus
pour sa convivialité et sa bonne humeur communicativesJ. e remercieé galementl es différents
interlocuteursd u groupe TOTAL quej 'ai pus côtoyer,J ean-Piene Gilson (directeur Recherche
(Jniversitaire et Coopérative), Jean-Michel Colin (ex-directeur Recherche Universitaire et
Coopérative),J acquesD artoy (directeur Recherchea u CReS),F rançoise Douce (Ingénieur de
Recherchea u CReS),S ophieM ariotti et Annie Romanet.J e remercie égalementt oute l'équipe
TOTAL qui s'est chargéed esp rélèvementsn, otammenMt anuel Vassaloe t Pascal Barbier.
Je remercie égalementM onsieur Claude-EtienneP aillard, Professeurà l'Université d'Orléans,
pour avoir accepté d'examiner ce travail et à travers lui, toute l'ëqurpe Ondes de Choc,
notammenNt abiha Djebai:li-Chaumeix,Ingénieudr e Recherchee t maj oyeuse et battantec onsæur
DelphineL adril pour la collaborationq ue nousa vonsi nitiée sur la problématiqued ess uies.
J'exprime toute ma reconnaissanceà Madame Christine Joblin-Toublanc,C hargéed e recherche
CNRSà l'(Jniversitéd e Toulousep, our avoir accepterd ep articiper à monj ury de thèse.
Je remercie l'école doctorale SESAMES,e n particulier Monsieur Daniel Canet,p our m'avoir
permis de conduirec etteformationà la recherche.
Je remercie chaleureusemenMt essieursL ionel Vernex-Lose(t Ingénieur d'étude) et Frédéric
Aubriet (Maître de Confërence,r édacteure n chef de I'amicale tennistique)p our leurs boîtes à
idéesg éniales,l eur assistanceta nt au point de vue scientifiqueq u'humain, et leur aide technique
tout au long de ces années.
Je tiens égalementà exprimer ma gratitude à MessieursE ric Millon (Professeur,b ourrinator à
ses heures), Benoît Maunit (Maître de ConJërences)e, t Jean-JacquesG aumet (Maître de
Conférences- HDR) ainsi que Madame Danièle Muller (Maître de ConJërencesp) our les
encouragementlse,s discussionsla, bonneh umeure t I'amitiéq u'ils m'ont témoignés.
Dans la conduite de cette étude,je remerciep articulièrementM me Céline Schmitt-Frénoisp our
son précédentt ravail et sa sympathie,a insi que Gilles Frachep our son aide, son investissement
et sesc ompétenceest plein de couragep our la suite de cetteé tude.
Finalement,j 'exprime touîe ma reconnaissanceà mes collèguese t amis du LSMCL pour les
annéesp asséese nsemble; premièrementl es anciensd octorantsq ui m'ont permis une intégration
rapide et sincère : Marc Angotti (Marco, Hoppy Alter Ego), Benoît Courrier (Benco, the Big
Boss),D avid Ruch (Ruchageagel,a fiole voilée), Rachel Chéty-Gimondo( Stchroumfette)E, ric
Erel (Daron); les présents que j'encourage et que je félicite de s'investir dans la formidable
aventureq u'est la thèse: Anne Roemer( AnnetteC annette)J, érômeB our (P'tit Djé), Natacha
Lourette (La Louve), Marc Dodeller, Jérémie Castello, notre secrëtaire Fidélia Boninségnia
(Grand Frais Caniculaire) ainsi que les étudiants en DEA qui sont passës, Myriam Losson
(Mimi), Karim Mati (Tchatman),F rançois Heulard (Colonel),J ërémie Gummel( Blondinette)o u
qui commencentA, udrey, Sëbastiene t Guillaumee t lesfuturs...
Il m'est à cæur de remercier ThomasG ustavssonC, hargéd e Recherche( CNRS)a u CEA Saclay,
qui m'a permisd e m'initier au monded e la recherchet,a ntp ar sesc ompétencessc ientifiquesq ue
par son amitiée t humilité.
(Jn clin d'æil à toutes les personnes,é tudiants ou non, quej 'ai rencontréest out au long de ces
trois annéesd e thèsee t qui m'ont permis un séjour en Mosellet rèsp rofitable.
Enfin, merci à Marie d'avoir été si patiente et confiante tout au long de ces annéesd 'études.
Merci aussià mesp arents et aux enseignantsp our leurs bagagesin dispensables.
Somrnaire
Sontntairc
Introduction Générale .....................1
Chapitre I : Les émissionsd ep articulesp ar les véhiculesd iesel...,...- -...............5..
I Contexte ...6
I.1 De la sourceà l'émission ........'......6
I.2 Réglementationd esé missionsa ssociéeàs la combustiond e carburant.............'.'.. ...-.....'.8
Ir Les émissionsd esm oteursd iese1.......... ..........9
II.] Lem oteudri ese..l. ........ ."".......9
Il.2 Lesé missionass sociéeàs la combustion.....'......'...' ".'-....1I
II.3
IL3.l Descriptiodne sp articules '...'..".."""""'12
II.3.1.L1e ss uies...... ...'.."'......12
II.3.1.L2e sP ACe tl esH AP... .'.'.'.........""'15
II.3.1.3L esa utrecso rnposants '...'..."""""'1 9
II.3.1.4E xempled er épartitiodne sd ifférentcso nstituandt'su nep articule.........................,...........20
II.3.2 Propriétépsh ysiquedse sp articu1es....'....'........ """""'21
II.3.2.1Lata illed esp articules '........."""""'21
II.3.2.2M orphologied esp articules .."""""'22
I1.3.2.2.1Strucrmuricer oscopique'..".'..'........' """""'22
II.3.2.2.2P ropriétéosp tiques ..."""""""24
11.3.2.2S.3u rfacsep écifiqueet p orosité.... ."...."""""'25
III Les techniquesd 'analysed esp articulesd iese1.......... ...................28
m.l Méthodeàep rélèvemendte sp olluantrsé glementés.. """'28
III.1.1M ontaged ep rélèvement............' """""'28
III.1.2P rélèvemenstu ivanut n cycled ec onduiten ormalisé..'.. .'.."""""""30
III.I.3L imitations............ """"""32
III.2 Analysed esp articuledsi ese1..........' """"""33
IIL2.I Mesureré glementaidree sp articules"'.' .....""""""""'33
III.2.2M esured el a partieo rganiqudee sp articules """""""34
III.2.2.|L esa nalysetso tales.......... """""""34
Il1.2.2.1.1l'analysteh ermiquee t optique .""""""""'34
lII.2.2.l.2Lesm éthodessp ectroscopiques..'....'.'.. ........".."""""""'34
III.2.2.2L esa nalyseasu n iveaum oléculaire.. """""""""35
III.2.3L esm éthodecso rnplémentai.r.e..s" ......... """""""""'37
III.2.4C onclusion............. """""'41
42
IV Conclusion
Chapitre II : Instrumentation. ""' 53
I L'analyseur à temps de vol GoD """"""""53
I.l Priniiped uT oF: le ToFl inéaires imple.....'.... """""""""""53
I.2 PerfectionnemdeunT t OF.........'... """"""""""57
I.2.1 Ler éflecton """""""""""57
I.2.2 Le retardà l'extraction ."""""""""""""59
I.3 Le dispositMif ALDI-ToF.........."'..' """"""""59
I.4 Performanceest l imitationsd u MALDI-ToF """"""""""""'62
II L'analyseur FTICRMS................ """"""""'63
II.] ie principed el a FTMS. """"'65
lI.2 Le mouvemencty clotroniqudee si ons: '........... """""""'66
Il.2.l Le piégeagdee si onsp aru n champé lectrique..... """'67
1L2.2L 'excitationd u mouvemencty clotronique """""""""71
11.2.3L adétectiond u mouvemencty clotroniquceo hérent.. """""""""""72
Srtrnntaire
II.3 Le dispositief xpérimental .........."......'........75
II.3.l Le champm agnétique ..........'..'.....'.......75
1L3.2L acel1ule.......... ................76
II.4 La séquenceex périmenta1e................... '.."......................77
.5 L'interface1 aser............. .........79
II.6 La visualisatioentl e déplacemednetl 'échanti11on................. '.......'......79
II.7 Lesp erformanceest limitationsd el a microsondlea serF TMS '......'.....80
II.7.1 Lesp erformancdeesl a microsondFeT MS2 000..,.......... ................80
I1.7.2L ilnttationdse l a microsondFeT MS2 000............. .........'.......'........80
III Les lasers
III.2 Lesl asersu tilisés......... .........'.83
Ma Chromatographique en phase gazeusec oupléeà la spectrométrie de masse..............86
fv.l La chromatograpehniep haseg azeuse........ ......................86
IV.2 Lep iègeà ionsq uadripolaire......j................. ......... ......-....88
IV.3 Lesm odesd ef onctionnement............ .........88
IV.3.1M oded ef onctionnemeennt i mpacté lectronique .......88
TV.3.2L e moded ef onctionnemeennt i onisationc himique...... ..................90
V Conclusion... 92
Chapitre III : Les mécanismesd e I'ablation/ionisation laser...... .....97
I L'interaction laser-matière...... 98
I.1 Lesp rocessuthse rmiques... ..........99
I.2 Lesp rocessupsh otochimiques................. ...'.'.100
I.3 Influenced el 'irradiance........'.....'.... ...........'...101
II Description de la désorption/ionisationl aser de composéso rganiques ...........105
II.1 Descriptiogné n&aldee l a désorption/ionisaltaiosne r............. ...........105
II.1.l Effett hermiqueet génératiodne n eutresp ard ésorptiolna ser .......105
II. 1. 2 Désorptionin duitep ar ûansitioné lectronique '..' ..... .1 0 9
II'2 Lesm écanismeds'io nisatiopna rd ésorption/ionisa1tiaosne r........'.... .......'..'...........110
II.2.l L'iontsationm ulti-photonique .............I1 I
II.2.2 L'iontsatiotnh ermique............... .'........113
I1.2.3 Créanond 'unez onef rontièrer,é actionio n/moléculeen p haseg azeuse........ .....114
II.3
Monclusion t2l
Chapitre IV: Partie expérimentale.....,..... ....127
I.2 influenced e la natured u support .'..'..'.....'......128
L3 Limitationd esé lémentsa ffectanlta reproductibilité.. .......... ...."'.............131
I.4 Influenced e la longueurd 'onde......... ...,...'.....132
L5 InJluencdee I'irradiance................... ...'.....'."..134
Sontntairt'
II Analysed e particulesp ar LDI-FTICRMS à222n m - influenced 'un complexant..........139
II.1 Généralistéu rl esc omplexeàs tr ansfedrte c harge.. .......141
II.l.1 Aspectt héoriqued esc omplexeàs tansfertd e charge..... -....'....'...142
II. l. 1. I Descriptiont héoriquep ar Mulliken ..' ....' ..........1. 43
II.1.1.1.1C lassificatiodne sd ifferentsc omplexes.... '.'..........'.....'..143
IJ.l.l.l.2 Théories implifiéed esb andesd e valence..'. "...'..'....".'.145
I.l.l.2 Descriptionth éoriquep arD ewar .'..'.'.'.......'...1..4' 8
II.l.2 Caractéristiquedse sc omplexesà transfertd e charged e HAP.'......' ......'.."'.......150
Il.l.2.l Configurationg éométriqued esc omplexesf t-?1.".....'...' ..........150
I1.1.2.2F orced 'un accepteurF/ orced 'un donneur( modèled e Mulliken) ................152
Il.l.2.2.1Forced esd onneurs...... .....'..-152
II.l.2.2.2Forced esa ccept€urs.... ..'...'..153
11.1.2.3C onstanted e formationo u d'équilibre ..'........'...154
II.2 L'ablation/ionisationl aserd e complexesà transfertd e charge ".'."....155
II.2.l Mode ded épôtdesc omplexes..............'.... ..'.".'.'.....155
II.2.2 Caractéristiquedse I'empreintes pectraled esH AP, desc omplexantse, t desc omplexes. .......157
I1.2.2.1LeHs AP seu1s............. ......'."........157
TL2.2.2L es accepteursse u1s.......... "..........157
IL2.2.3L esc ornplexedse HAP..... ..'.....'...158
II.2.3 Mécanismesd 'ablation/ionisatiolans erd esc omplexesH AP-accepteur..................................159
IL3 Applicationà I'analysed e particules. ........161
II.3.l InJluenced e la présenced 'un complexanst url a caractérisatiodne sp ar|icules.......................161
II.3.2 InJluenced e la quantitéd e complexandt éposé'.'.'..... .'......'...........166
II.3.3 Inlluenced e la longuewd 'onde..'.".'.. '...'............"1"'7 0
II.3.4 InJtuenced e I'irradiance.. .......... """""172
III Analyse de particules par maldi-ToF .......... ............178
m.l Préparatiodne sé chanti11ons................. .....179
IIl.2 Analysed ec onposésst andards...... ...........180
IIL2.I Choixd el a matrice '....'."180
III.2.2I nIluenced u rappormt atrice/molécuclieb le....' .....'..182
IlI.2.2.l Etuded u couple[ pérylène/TCNQ...]. .......'. ......182
Ill.2.2.2EtudepowunmélangIe6dHeA P ...'..............184
1IIr2.2.C3o nc1usion... """""' 186
III.3 Analysed ep articules. .""""" 186
III.3.I Influenced el a natured u support.... ""'187
IIl.3.2 Analysed 'un échantillodne p articuledsi eseel nm odep ositif ......188
IV Conclusion .........191
Chapitre V : Etude de particules émisesp ar des véhicules équipésd 'une motorisation
diesel.....-........ """" 197
Différenciation de particules dieselp ar LDITFTICRMS à222 nm pour différents points de
fonctionnement.............. ..........1..9 8
I.1A nalyseen m odpeo sitif.......... '.............""1"9""9
L2 Analysee nm oden égatif......... ....'......""""""'202
I.3 Misoen placed 'unea pprocheq uantitative ""'206
tI Différenciation de particules dieselp ar LDIFTICRMS ù222 nm sur le nEDC - influence
du carburant- .............
il.l Analyseen m odep ositi.f. ........ ................'.z:15
II.1.] Pârticuleésm iiesp arD2s urN EDCa vecc arburanCt r ............ .....213
ILl.2 Comparaisounu "é1 ",p articuleésm isesp arD2s urN EDCa vecc arburanCt2 ..............'...... .'.217
II.1.3 Comparaisoàn u nem éthoded er éférenc-e la GCÀ4S ....""""""'219
II.l.4 Conclusion.......'.'. """""'225
Sontnruîre
II.2 Analysee nm oden égati.f. ....... .-..--..........'226
II.2.1 Particuleésm isepsa rD 2 surN EDCa vecle carburan9tt ,....".........-....'.....'.:.;..........-. ....'.'."226
1I.2.2 Comparaisoanv ecl esp articulesé misesp arD2s urN EDCa vecc arburanCt ''................'... ...230
Chapitre W : Analyse par spectrométrie de masse de suies formées dans un tube à choc 237
I Formation et prélèvement des suies à partir de quatres molécules représentatives de
familleschimiquesprésenteSdanslesessences............:............
I.l Formatiodne s uiesd ansu nt ubeà chocà partird 'unp récurseur.....'.....'..." ..................238
I.1.1 Principedutubeàchoc.......... ....-..'...'.239
I.l.1.l Principed 'unee xpérience ':""""""239
L1.1.2L esa vantagdeesl at echnique........'....'..... ....'....240
I.1.1.3C alculd esp aramètreths ermodynamiques -...'....241
I.1.2 Descriptiodnu t ubeà chocu tilisép ourl 'étude'.'........ .-..'.....'--..'....242
Ll.2.l Lapartieh autep ression....... ...-.'.....243
I.1.2.2Led oubled iaphragme.. ..'........."....243
I.1.2.3L apartieb assep ression....... .'-........244
I.1.3 Informationasp portéepsa rl esd ifférentsd iagnostiqudeesp ressione t det empéranne...........244
I.2 Applicationà la formationd e suiesà partir de quatrep récurseuresn v ue d'une analysed êta:illée.....246
L2J Conditionesx périmentales.............'..' ....'........'-'..'....246
L2.2 Prélèvemendte ss uies ...,.247
I.3 Résultatest conclusion ........."....249
II Analysesd ess uiesf orméesd ans un tube a choc........... ..................250
11.1 Analysep arc hromatographgiea zeusceo upléeà la spectrométrdiee m asse ...........250
II.l.1 EtudeparGC/Ivlsdessolutionsderécupérationdesuies(exp.no2).... ..............252
II.l.2 Analysep ar désorptionth ermique( Chromatoprobec)o upléeà la GC/lvIS.. .......253
II.2 Analysed ess uiesi ssuesd esq uatrep récurseurpsa r desorption/ionisatiolans erc oupléeà la
spectrométdrieem asse...... .............'255
Il.2.l Techniqueesx périmenta.le'.s.. '.......'... ..""""""""""255
II.2.2R ésu1tats.................. """"256
Il.2.2.1Aralysepsa rL DVFTICRMSà 222n m..........'..'. """""""""'256
1I.2.2.A2n alysepsa rL DVTOFMSà 266n m'........'...... ..""""""""""257
II.2.3D iscussion.............. .""""258
Itr Conclusion 260
Conclusion Généralee t Perspectives.............. ..............,.267
I\ornenclatu e