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Cosmorbitrap

Un spectromètre de masse embarqué à très haute résolution en masse de type OrbitrapTM est en cours de développement au LPC2E en collaboration avec la société ThermoFisher (leader de cette technologie qu’elle commercialise de manière exclusive) et plusieurs laboratoires français (IPAG, LISA, LATMOS, CSNSM), allemands (MPS Lindau, MPI Stuttgart) et américains (GSFC/NASA et JPL/NASA). Ce prototype, particulièrement innovant, représente un saut technologique pour la spectrométrie de masse embarquée. L’expertise du LPC2E, reconnue dans ce groupe de laboratoires, a permis de faire fonctionner un prototype OrbitrapTM en moins d’un an avec le soutien financier du CNES. L’intérêt d’avoir une très haute résolution en masse est de permettre d’identifier sans ambiguïté, dans l’extrême majorité des cas, les espèces chimiques qui constituent l’échantillon étudié. A l’heure actuelle, les spectromètres de masse déjà embarqués n’ont pas cette faculté.

PRINCIPE

Le principe du piège à ions OrbitrapTM est ancien, mais sa première réalisation expérimentale publiée date de l’année 2000. Dans cet instrument, les ions sont piégés dans un puits de potentiel électrique constant dans lequel ils oscillent avec une fréquence fixe qui dépend de leur masse exacte. L’innovation qui a permis de faire fonctionner ce type de piège réside dans l’injection électriquement pulsée des ions. La mesure des oscillations stables pendant une seconde permet alors de réaliser un spectre de masse complet et d’accéder à une très haute résolution en masse (100 000) pour un encombrement un poids et une puissance limités.
Un paquet d’ions extraits de l’échantillon est produit par une source d’énergie (par un laser dans le cas du prototype au LPC2E) et injecté par une optique ionique dans le piège selon un axe perpendiculaire à l’axe de l’électrode centrale (voir schéma). Un déflecteur électrostatique détourne les ions au cours de leur injection, et la tension électrique de l’électrode centrale est abaissée pour que les trajectoires des ions restent comprises dans l’espace libre entre les électrodes sans percuter leurs surfaces.

Le signal électrique, induit par les trajectoires des ions sur les électrodes externes, est constitué d’une somme de fréquences. Après une transformée de Fourier, ce signal est converti en spectre de fréquences. Il est ensuite calibré en masse par la relation théorique
ω = (kq/m)1/2 (ω : fréquence des oscillations ; k : constante ; q :charge de l’ion ; m : masse de l’ion).

Cette relation est calculée à partir de la résolution des équations du mouvement des ions dans le potentiel électrique induit par la géométrie des électrodes (centrale et externes). Les solutions obtenues selon l’axe z de l’électrode centrale sont celles d’un oscillateur harmonique associé à la composante Ez du champ électrique :
z(t) = z0 cos(ωt) + (2 Ez /k)1/2 sin(ωt)

UTILISATION

Un prototype est en exploitation au LPC2E. Il permet de définir les spécifications d’un instrument spatial, de mesurer ses caractéristiques (masse, consommation, encombrement, volume de données) et d’établir ses capacités à répondre à des questions scientifiques au travers d’analyses chimiques d’échantillons de référence.
Plusieurs actions de R&T, financées par le CNES et sur ressources propres, permettent développer un prototype fonctionnel de l’instrument spatial, actuellement en cours de conception.
Un projet en collaboration avec le GSFC de la NASA (USA) est en cours réalisation et doit permettre de tester un instrument complet dans une configuration proche d’un instrument spatial. D’autres projets avec l’Allemagne et les Etats-Unis sont en attente de financement.
Le prototype permet d’analyser des minéraux, de la matière organique ou des métaux pratiquement sans ambiguïté dans l’interprétation des atomes ou des molécules constitutives de l’échantillon grâce à la très haute résolution en masse.

Résolution en masse du prototype Orbitrap au LPC2E pour quelques métaux et une molécule organique.
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