Un nouveau spectromètre microonde par transformée de Fourier et jet moléculaire combinant un résonateur et un chirp pulsé pour enregistrer rapidement des spectres à haute résolution et discriminer des énantiomères – PARIS-FTMW

Pour construire le spectromètre PARIS, une approche innovante et économe en ressources est appliquée : en utilisant une conception intelligente, la plupart des composants électroniques seront utilisés dans un spectromètre à double usage alors que presque tous les équipements sous vide sont partagés. Les spectromètres à résonateur et à chirp pulsé sont combinés dans un seul instrument, fonctionnant dans l'un ou l'autre mode sans temps de rotation.

La particularité de PARIS-FTMW est que ce montage est idéalement adapté à la détection spécifique de molécules chirales. Le résonateur à bande étroite et les antennes cornet à large bande de la configuration chirp seront montés perpendiculairement l'un à l'autre. Le résonateur peut être accordé sur une fréquence et un plan de polarisation donnés. Les antennes cornet permettent l'émission ou la réception simultanée de deux fréquences identiques ou différentes dans des plans de polarisation alignés ou orthogonaux. Par conséquent, trois fréquences et plans de polarisation indépendants sont disponibles, permettant ainsi une détection sensible aux énantiomères. La configuration de PARIS se distingue des autres configurations précédemment conçues à l'utilisation d'un résonateur Fabry-Pérot pour créer l'une des trois polarisations, ce qui présente l'avantage de la concentration de puissance dans le résonateur. D'autres configurations utilisent uniquement des antennes cornet à la place.

Un certain nombre de molécules chirales qui servent d'odorants ou de substances naturelles telles que les phéromones, où un seul des énantiomères présente l’odeur ou agit comme le composé phéromone qui libère des réactions d'insectes, sont la cible moléculaire. L'objectif principal de ces études sera leur détermination structurelle. Le deuxième objectif est l'analyse des mouvements de grande amplitude de ces molécules. Cela servira de tests pour les modèles théoriques et les développements.

Le planning de l’axe expérimental concerne le développement du spectromètre PARIS. Avant le début du projet, la coordinatrice du projet (PI) a commencé la préparation des achats (cahiers de charge, actualisation d’offre de plusieurs entreprises, désignation de composants mécaniques). Comme le montant global des grands équipements était supérieur à 144 000 € H.T., une demande VISA pour le lancement de plusieurs marchés a été déposée auprès du CNRS pour éviter de devoir effectuer une procédure PUMA au niveau européen. A partir du 01/04/2019, les composants du spectromètre qualifiés de petit matériel ont été commandés et livrés en 07/2019. Pour l'achat de grande équipement, 3 PUMA ont été publiés immédiatement après le début du projet. Les deux achats concernant le grand équipement électronique ont été livrés fin 2019. Pour les composants mécaniques, constitués d'une chambre à vide et de ses accessoires qui devaient être fabriqués, la date de livraison était initialement 02/2020, mais a été retardée au 7/2020 à cause de la crise sanitaire COVID-19. Le montage a été terminé en 02/2021. Pour cette tâche, l’avancement des travaux est conforme avec le plan initialement prévu. Le retard de la livraison de la chambre à vide a été compensé avec la prolongation automatique du projet.

Parallèlement à la composition du spectromètre PARIS, les études théoriques et études sur l'analyse spectrale ont été effectués. Depuis 03/2019, une étudiante M2 a été recrutée et a participé à ce workpackage. Elle est restée par la suite pour une thèse et poursuit les tâches définies dans cet axe. L’avancement des travaux sur cet axe conforme très bien avec le plan initialement prévu. Lors du confinement, lorsque les manipulations expérimentales n'étaient pas possibles, l'accent a été mis sur l'axe théorique du projet. La crise COVID n’a donc eu aucun impact, elle a permis au contraire d’accélérer les travaux théoriques avec beaucoup plus de résultats que prévu.

Sur l'axe expérimental, nous entrons dans le prochain workpackage de test du spectromètre PARIS après le montage. L’étape principale consiste à tester le fonctionnement de l'ultravide et de toutes les pièces mécaniques.

Sur l'axe théorique, deux tâches s'exécutent parallèlement. Une tâche est sur le développement du logiciel pour contrôler et permettre l'interaction de tous les composants électroniques pour l'enregistrement des spectres. Cette tâche est principalement effectuée par la PI. L'autre tâche se poursuit avec des études théoriques et l’analyse spectrale de la cible moléculaire, qui est réalisée conjointement par la PI et la doctorante.

Les résultats du projet ont été publiés dans 25 revues à comité de lecture ; deux d'entre eux sont des articles de revue et un article de revue a également été publié sous forme de chapitre d’ouvrage (H.V.L. Nguyen, I. Kleiner, DeGruyter, Ed. Gulaczyk, sous presse). Une sélection de publications est donnée ci-dessous.

1. H.V.L. Nguyen, Iwona Gulaczyk, Marek Kreglewski, I. Kleiner, Coord. Chem. Rev.436, 213797 (2021).
Article de revue, Gold open access
2. J. Mélan, S. Khemissi, H.V.L. Nguyen, Spectro. Chim. Acta A 253, 119564 (2021).
3. H.V.L. Nguyen, M. Andresen, W. Stahl, Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 2930 (2021).
4. H.V.L. Nguyen, I. Kleiner, Phys. Sci. Rev. (2021), sous presse.
Article de revue
5. M. Andresen, D. Schöngen, I. Kleiner, M. Schwell, W. Stahl, H.V.L. Nguyen, ChemPhysChem 21, 2206-2216 (2020).
6. S. Khemissi, H.V.L. Nguyen, ChemPhysChem 21, 1682-1687 (2020).
7. H.V.L. Nguyen, J.-U. Grabow, ChemPhysChem 21, 1243 à 1248 (2020).
Couverture
8. S. Herbers, H.V.L. Nguyen, J. Mol. Spectrosc. 370, 111289 (2020).
9. T. Nguyen, V. Van, C. Gutlé, W. Stahl, M. Schwell, I. Kleiner, H.V.L. Nguyen, J. Chem. Phys. 152, 134306 (2020).
10. H.V.L. Nguyen, J. Mol. Struct. 1208, 127909 (2020).
11. L. Ferres, W. Stahl, H.V.L. Nguyen, J. Chem. Phys. 151 et 104310 (2019).
Choix de l'éditeur
12. M. Andresen, I. Kleiner, M. Schwell, W. Stahl, H.V.L. Nguyen, ChemPhysChem 20, 2063 (2019).
Couverture

Les résultats sont également présentés dans 3 conférences invitées, un séminaire invité du PI et un atelier organisé par le PI (journées de spectroscopie moléculaire, Créteil / France, 2019). La présentation invitée la plus importante est celle de « plenary lecture » donnée lors de « 25th Colloquium on High resolution molecular spectroscopy » (2019) qui s'est tenue à Dijon, France. Les deux autres conférences invitées ont lieu lors d'un atelier à Huelva / Espagne (2019) et à Pise / Italie (2019). Le séminaire invité a eu lieu à Wesleyan / USA (2020, online).

L'objectif du projet PARIS-FTMW est de développer un spectromètre dans le domaine microonde capable d'une très grande sensitivité et d'une très haute résolution pour effectuer des analyses spectrales rotationnelles, déterminer les structures moléculaires et pour réaliser des expériences mélangeant trois-ondes permettant l'analyse chirale. Ce nouvel appareil appelé PARIS-FTMW combinant un spectromètre microonde par transformée de Fourier et jet moléculaire résonateur et un chirp pulsé sera développé. En utilisant un design intelligent, la plupart des composants électroniques seront utilisés dans une configuration à double usage avec un appareillage du vide commun. Cette machin innovante et très intégrée est construite à des coûts beaucoup plus bas, mais offre les avantages des deux techniques: capacités à large bande rapide et une résolution incontestée.
En outre, la détection spécifique d'énantiomères par expérimentes de résonances multiples est possible. Cet instrument utilise des impulsions microondes à haute fréquence et applique ces impulsions dans une séquence optimale, séparées dans le temps. Il emploie efficacement les transitions de type b et de type c d'une molécule chirale dans la largeur de bande de 1 GHz de l'impulsion. La discrimination chirale n'est pas encore une méthode courante en spectroscopie microonde. Grâce à sa configuration flexible l'instrument PARIS-FTMW que nous proposons de développer sera une méthode d'avant-garde et fera de la spectroscopie microonde une technique puissante pour des détections de chiralité en routine.
Des études sur les molécules chirales bio-actives comme les terpènes odorants, les phéromones et les complexes chirales seront effectuées avec les mesures de discrimination chirales pour ces molécules; pour fournir des paramètres précis des systèmes moléculaires étudiés. Ceci intègre clairement des applications multidisciplinaires, en particulier pour l’astronomie, l'atmosphère terrestre et la biologie. Les trois systèmes moléculaires choisis sont le linalol, l'acétate de linalyle et le complexe oxyde de 1,2-propanediol--propylène. Toutes les molécules sont chirales, donc soulignent la capacité de PARIS-FTMW pour des détections de chiralité. En outre, ils sont flexibles et floppy, ainsi présentent des mouvements complexes de grande amplitude qui servent de tests pour les modèles théoriques et leurs développements.