Dynamique des états excités des radicaux anioniques bio-relevants en solution étudiée par spectroscopie à trois impulsions pompe - re-pompe- sonde – Rad3P

Le projet RAD3P repose sur la combinaison de plusieurs technologies avancées réunies autour de la plateforme de radiolyse picoseconde ELYSE. Le premier pilier méthodologique est l’utilisation d’un pulse d’électrons de quelques picosecondes pour générer in situ les électrons présolvés, solvés et les radicaux anioniques issus de leur attachement aux solutés d’intérêt. Cette étape place l’expérience au cœur de la chimie des radiations primaires.

Le second pilier est l’emploi d’une impulsion femtoseconde accordable, produite par un amplificateur optique paramétrique (OPA), qui permet d’exciter sélectivement les radicaux anioniques vers leurs états électroniques supérieurs. Cette excitation ultrarapide, reproductible et ajustable sur une large plage spectrale (UV–VIS–IR), constitue l’élément clé pour sonder les voies de relaxation ou les éventuelles dissociations, notamment celles associées au mécanisme de DEA.

Le troisième pilier méthodologique repose sur la détection à l’aide d’un supercontinuum large bande s’étendant de l’UV au proche IR. Ce type de sonde permet d’enregistrer les signatures spectrales transitoires avec une résolution temporelle de quelques femtosecondes, offrant une vision globale des dynamiques électroniques et vibratoires. Pour que ce schéma fonctionne, plusieurs éléments instrumentaux doivent être maîtrisés : des lignes de retard optiques de haute précision permettent de régler les délais entre les trois impulsions ; un système automatisé d’alignement basé sur des miroirs motorisés et des caméras CCD garantit une superposition optimale des faisceaux ; et des algorithmes d’apprentissage automatique contribuent à trier les signaux selon leur qualité et leur rapport signal/bruit.

Enfin, un travail important a été mené sur l’architecture logicielle. Le pilotage de l’expérience a été entièrement modernisé grâce à un environnement Python reposant sur PyTango et Taurus, permettant une gestion fine des instruments, un enregistrement riche en métadonnées, une reproductibilité accrue et une analyse plus robuste des données.

L’ensemble constitue une méthodologie unique à l’interface de la radiolyse, de la spectroscopie ultrarapide et de l’instrumentation avancée.

Même si les objectifs scientifiques finaux n’ont pas pu être atteints en raison de limitations techniques prolongées, le projet RAD3P a permis des progrès majeurs sur le plan instrumental et a généré des résultats scientifiques préliminaires significatifs. La reconstruction complète du montage optique autour de l’accélérateur — nouvelles lignes de retard, optimisation des chemins optiques, installation de miroirs motorisés et amélioration du supercontinuum — a profondément transformé l’infrastructure. L’installation du TOPAS OPA, bien que marquée par des épisodes d’instabilité et de dommages optiques, a démontré la possibilité de générer des impulsions UV–VIS–IR compatibles et a permis des mesures transitoires inédites, notamment du radical CO₂•– sous pression.

Un système d’alignement automatique, combinant des caméras CCD et des miroirs motorisés, a été mis en œuvre, ce qui a amélioré la reproductibilité des mesures. Parallèlement, la synchronisation électron–laser, initialement instable de plusieurs picosecondes, a été améliorée grâce à des corrections matérielles et optiques, jusqu’à retrouver une stabilité suffisante en fin de projet. Le logiciel de pilotage a été entièrement modernisé avec Python/Tango et complété par un algorithme d’apprentissage automatique permettant de détecter et de sélectionner les spectres présentant un bon rapport signal/bruit.

Sur le plan scientifique, les premières expériences de type pump–repump–probe sur l’électron solvaté dans l’eau ont été réalisées avec succès. Les dynamiques observées, incluant le blanchiment de l’absorption et sa récupération avec un temps caractéristique d’environ 500 fs, sont en accord avec les modèles modernes de solvatation non adiabatique. Des essais exploratoires ont également été menés sur des solutions salines concentrées ainsi que sur l’éthanol. Les expériences en THF n’ont pas pu être finalisées en raison d’un dysfonctionnement du détecteur IR. Les études sur les anions de nucléotides et de nucléosides n’ont pas été entreprises en raison de l’indisponibilité prolongée de l’OPA dans la région 330–350 nm.

Ces résultats consolident les bases techniques de la future mise en œuvre complète du programme scientifique.

Le projet RAD3P a permis de mettre en place les éléments essentiels d’une technique innovante de spectroscopie à trois impulsions combinant un pulse d’électrons, une excitation femtoseconde et une sonde supercontinuum. Cette approche, encore inexistante à l’échelle internationale, ouvre l’accès direct aux dynamiques ultrarapides de radicaux anioniques en solution. Bien que les objectifs scientifiques n’aient pas été atteints durant le projet, les avancées techniques réalisées placent désormais la plateforme ELYSE dans des conditions favorables à la poursuite du programme prévu.

Les perspectives immédiates concernent la finalisation des améliorations techniques identifiées : remplacement de la tête laser, mise à niveau de la synchronisation électron–laser, réalignement complet de l’OPA, avec changement des cristaux, et modernisation des contrôleurs exposés aux interférences électromagnétiques. Ces interventions prévues en 2026 devraient permettre d’obtenir une stabilité durable de l’ensemble du montage et de rendre la technique pleinement opérationnelle.

Une fois ces éléments consolidés, la technique pourra être appliquée à l’excitation et à l’étude des états excités des radicaux anioniques de nucléotides et de nucléosides, notamment dans la région de 330–350 nm. Cela permettra d’examiner leurs voies de relaxation et d’évaluer la présence de mécanismes de dissociation ultrarapide, tels que l’attachement dissociatif d’électrons (DEA). Des études similaires pourront être réalisées sur des radicaux d’acides aminés ou de petits peptides.

La méthode pourra également être étendue à des milieux fortement ioniques, où les dynamiques de solvatation sont modifiées, ouvrant la voie à des investigations systématiques dans des conditions chimiques variées. Au-delà de la chimie des radiations, cette technique pourrait servir à des études plus larges en photochimie ultrarapide, en transferts d’énergie et de charge, ou dans des systèmes moléculaires complexes.

En résumé, RAD3P a permis de construire une infrastructure expérimentale unique. Les améliorations restantes devraient permettre d’atteindre les objectifs initiaux et d’explorer des phénomènes ultrarapides encore inaccessibles en solution.

L'objectif du projet Rad3P vise à étudier pour la première fois l'évolution des états excités des radicaux anioniques transitoires des modèles ADN/peptides en solution aqueuse. La chimie des états excités des radicaux anioniques est importante à la lumière du processus de l'attachement dissociatif électronique (DEA) car elle pourrait jouer un rôle dans le cheminement des dommages via la capture des precurseurs de l’électron hydraté par l'ADN/peptides via la formation des radicaux anioniques excités subissant une dissociation irréversible. Au cours du projet Rad3P, une spectroscopie unique de radiolyse sera développée sur la base de l'approche spectroscopique "Pompe-Repompe-Sonde", en remplaçant la pompe par une impulsion d’électrons, ce qui n'a jamais été réalisé dans les études sur l’effet des rayonnements ionisants.

La spectroscopie "Pompe(impulsion d’électrons)-Repompe(laser)-Sonde(supercontinuum)" consiste à ré-exciter des radicaux anioniques transitoires des solutés qui sont formés via la réaction avec des descendants d'électrons secondaires : présolvatés et solvatés par une courte (100 fs) pompe optique (énergie variable). Le devenir des radicaux anioniques excités pourrait alors être étudié avec une résolution temporelle appropriée grâce à une troisième impulsion de sonde de 100 fs de largeur spectrale, à savoir après le blanchiment de l'absorption de l'anion radical à l’état fondamental et la dynamique de l'évolution de l'état excité.

Les nouvelles connaissances générées auront une grande importance pour les techniques de radiothérapie dans la lutte contre le cancer, pour les codes consacrés à la modélisation de l'interaction des rayonnements ionisants avec la matière biologique, et des dommages causés à l'ADN/peptide qui sont ignorées pour le moment. En outre, le projet relève des défis à la fois technologiques et scientifiques en développant une nouvelle spectroscopie qui étend l'applicabilité de la technique de radiolyse impulsionnelle. Il offrira une nouvelle voie pour la recherche sous rayonnement ionisant, car il est clair qu'il y a beaucoup de sujets qui peuvent être traités par cette technique. Au cours de ce projet, nous mettrons également en place un plan de gestion des données afin de donner accès libre aux données expérimentales générées à la communauté.