Objectifs scientifiques
Contexte
La mesure aéroportée des composés organiques volatils (COV) reste, aujourd’hui encore, non seulement un challenge instrumental mais aussi un besoin majeur pour l’évaluation de la production de photo-oxydante (ozone, PANs etc…) et d’aérosol organique secondaire. Néanmoins, nos capacités analytiques restent en ce domaine quelque peu limitées et nécessitent des outils permettant de suivre spécifiquement des molécules cibles à très basse concentration. Depuis 2006, le LISA opère la mesure des composés organiques volatils dans les avions de recherche français. D’abord avec le développement (grâce au soutien de la DT-INSU) d’un système basé sur l’absorption sur cartouche et l’analyse GC-MS off line (projet AMOVOC) déployé lors des campagnes AMMA et MEGAPOLI. Puis, en 2007, le LISA a pris en charge l’avionisation du PTR-Q-MS communautaire (acheté grâce au soutien mi-lourd INSU et possédé par un consortium LSCE, LISA, LATMOS, LPMA). Depuis, le LISA opère le PTRMS et la veine de prélèvement gaz sur l’ATR-42 de SAFIRE (campagne MEGAPOLI, TRAQA, CHARMEX). Par ailleurs, le LISA coordonnera la future campagne aéroportée ACROSS-AO prévue à l’été 2022 et impliquant l’ATR-42. Le but de cette campagne est d’étudier l’évolution chimique des panaches urbains aux latitudes moyennes lorsqu’ils se mélangent aux émissions biogéniques environnantes. Pour cela, une caractérisation fine de la composition du panache en COV est nécessaire.
PTR-ToF-MS
La technologie PTR-MS repose d’abord sur le mode d’ionisation. L’ionisation PTR, ionisation par transfert de proton, est un mode d’ionisation très doux qui n’induit que très peu de fragmentation et qui permet ainsi de conserver l’information chimique. Ce mode d’ionisation est très efficace et permet d’atteindre les sensibilités élevées indispensables à l’analyse des traces atmosphériques. Ces caractéristiques sont évidemment communes à l’ensemble des PTR-MS. Par contre, l’analyseur de masse en aval de la chambre d’ionisation est également tout à fait déterminant des performances atteintes. Les premières versions de PTR-MS étaient basées sur des analyseurs de masse quadripôle (c’est par exemple le cas du PTR-MS communautaire, seul instrument aéroporté accessible à la communauté française à ce jour). Une technologie alternative couplant chambre d’ionisation PTR et analyseur à temps de vol (ToF) a été développée et présente plusieurs avantages parmi lesquels :
- Une sensibilité encore accrue de plusieurs ordre de grandeurs (par exemple 10 ppt pour le benzène sur 1 min d’acquisition) lié au fait que, dans un ToF, l’ensemble des ions est envoyé vers le détecteur contrairement au quad qui sélectionne les ions « un par un » et en perd donc le plus grand nombre.
- Une résolution spectrale élevée (résolution de 4000 pour le ToF et résolution de 1 pour le quadripôle) permettant de travailler en masse exacte, c’est-à-dire de dériver la formule brute des composés analysés en exploitant les décimales des masses atomiques des ions détectés.
Cette résolution offre la capacité à séparer des composés actuellement interférant avec la technologie PTR-quad-MS (du fait de la résolution précédemment citée). On peut ainsi par exemple dissocier la mesure du glyoxal de celle de l’acétone (M/Z=58), celle de l’isoprène de celle du furane (M/Z=69), celle de la butanone et du méthylglyoxal (M/Z=72)…
Mesures aéroportées
Le PTRMS apparaît aujourd’hui comme un instrument de référence pour la mesure aéroportée des COV. Ainsi, la quasi-totalité des grandes campagnes de chimie atmosphérique impliquant les avions de recherche à travers le monde depuis 2005 ont eu recours à cette technologie. La France ne fait pas exception mais l’unique instrument aéroporté présente une résolution faible (analyseur en masse de type quadripôle) et est partagé entre plusieurs groupes et donc plusieurs applications. L’un des objectifs de la présente demande est donc d’alléger l’agenda de l’instrument communautaire mais aussi et surtout de permettre au panel d’instruments embarqués sur les avions de recherches français de s’enrichir des performances sans égales apportées par le PTR-ToF-MS. Le LISA a, au fil des années, acquis le savoir-faire pour opérer cet instrument et notamment réaliser sa calibration, évaluer les interférences éventuelles, déterminer les efficacités d’ionisation, estimer les facteurs correctifs associés aux équilibres de protonation.
Par ailleurs, cette demande est adossée à un projet financé par l’ANR en 2020 (le projet ACROSS-AO coordonné par Christopher Cantrell au LISA) et pour lequel l’avionisation du PTR-ToF-MS apparaît indispensable compte tenu du gain en sensibilité et surtout en résolution spectrale que cela implique et donc des avancées dans l’interprétation des données que cela génère.
Description technique
Le LISA possède un spectromètre de masse à transfert de proton avec analyseur à temps de vol (PTR-ToF-MS), de la société Kore Technology. La présente demande concerne l’avionisation de cet instrument.
Il s’est révélé nécessaire de reconditionner l’instrument dans un bâti compatible avec les contraintes mécaniques et vibratoires de l’ATR-42 de SAFIRE.
Le LISA demande le soutien de la DT pour une étude des modifications nécessaires à l’avionisation de l’instrument, et pour une demande de réalisation de ces modifications afin de finalement aboutir à la certification avion de l’instrument.
Voir aussi : l’intégration de PTR-ToF-MS.
Contact DT : Nicolas Geyskens
Contact LISA : Vincent Michoud