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Apport de la spectrométrie de masse de très haute résolution à l’étude de mélanges complexes pour l’énergie, l’environnement et le vivant

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Academic year: 2021

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HAL Id: tel-02984470

https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-02984470

Submitted on 31 Oct 2020

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résolution à l’étude de mélanges complexes pour

l’énergie, l’environnement et le vivant

Vincent Carré

To cite this version:

Vincent Carré. Apport de la spectrométrie de masse de très haute résolution à l’étude de mélanges complexes pour l’énergie, l’environnement et le vivant. Chimie analytique. Université de Lorraine, 2020. �tel-02984470�

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Habilitation à Diriger des Recherches

Apport de la spectrométrie de masse de très haute

résolution à l’étude de mélanges complexes pour l’énergie,

l’environnement et le vivant

Vincent Carré

Soutenue le 26 octobre 2020

Spécialité : Chimie

Composition du jury :

Rapporteurs :

Mme ENJALBAL Christine, Pr, Institut des Biomolécules Max Mousseron, Université Montpellier 2

M. SCHMITT KOPPLIN Philippe, Prof. Dr., HelmholtzZentrum Muenchen, Department of Environmental Sciences M. JEANDET Philippe, Pr, Unité de Recherche - Vignes et Vins de Champagne (URVVC), Université de Reims Champagne Ardennes

Examinateurs

Mme CHARON Nadège, IR (HDR), IFP Energies nouvelles, Lyon

Mme BOUGUET-BONNET Sabine, Pr, CRM2, Université de Lorraine (Présidente du jury) M. DUFOUR Anthony, CR (HDR), LRGP, Université de Lorraine (Invité)

M. AUBRIET Frédéric, Pr, LCP-A2MC, Université de Lorraine (Parrain)

Université de Lorraine

Laboratoire de Chimie et Physique - Approche Multi-échelle des Milieux Complexes Equipe Chimie Durable et Environnement

ICPM, 1 Boulevard Arago 57070 METZ, France Tel: +33.3.72.74.91.33

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Sommaire du Manuscrit

Table des illustrations _______________________________________________________ 2

Liste des accronymes ________________________________________________________ 3

AVANT PROPOS ____________________________________________________________ 5

NOTICE INDIVIDUELLE _______________________________________________________ 7

I. Formation professionnelle 7

II. Activités d’enseignement et d’administration 8

Enseignements : ____________________________________________________________________ 8 Responsabilités pédagogiques _________________________________________________________ 9 Responsabilités dans les instances locales et nationales ____________________________________ 10

III. Activités de recherche 11

Production Scientifique ______________________________________________________________ 11 Responsabilités Scientifiques _________________________________________________________ 11 Encadrement doctoral ______________________________________________________________ 14 Encadrement de stagiaires Master Chimie (M2) __________________________________________ 14 Encadrement de stagiaires Master 1 / L3 / IUT ___________________________________________ 15 Membre de comité de suivi de thèse ___________________________________________________ 15 Participation à des jurys de thèse ______________________________________________________ 16 Valorisation et Rayonnement Scientifique _______________________________________________ 16

BILAN DES ACTIVITES DE RECHERCHE __________________________________________ 19

I. Etudes de mélanges complexes par des approches non-ciblées 19

L’analyse non-ciblée de mélanges complexes par spectrométrie de masse _____________________ 20 Principe du spectromètre de masse à résonance cyclotronique d’ions et à transformée de Fourier __ 21 Traitement et exploitation des données MS _____________________________________________ 24

II. Application à l’étude de milieux complexes 30

Etudes par spectrométrie de masse de particules environnementales _________________________ 30 Etudes pétroléomiques pour la valorisation de la biomasse _________________________________ 32 Etudes par spectrométrie de masse de matrices biologiques ________________________________ 35 Etudes par FT-ICR MS de macromolécules _______________________________________________ 37

PERSPECTIVES ET PROJET SCIENTIFIQUE _______________________________________ 39

Energie __________________________________________________________________________ 39 Environnement ____________________________________________________________________ 41 Domaine du vivant _________________________________________________________________ 42

CONCLUSION _____________________________________________________________ 44

Références Bibliographiques _________________________________________________ 45

Annexe 1 : Liste des publications _____________________________________________ 51

Annexe 2 : Liste des communications orales et par affiches ________________________ 57

I. Conférences invitées 57

II. Ecole thématique et séminaire invité 57

III. Communications orales (CO) 58

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Table des illustrations

Table des Figures

Figure 1 Principe de l’acquisition d’un spectre par FT-ICR MS ... 21

Figure 2 : Distribution des erreurs de mesures de masse après recalibration interne d’un spectre (+)APPI FT-ICR MS d’une bio-huile16 ... 25

Figure 3 Défaut de masse de quelques nucléides dans l’échelle IUPAC17 ... 26

Figure 4 Carte de Kendrick des familles de composés O7 et O8 détectés lors de l’analyse (-)ESI FT-ICR MS d’une bio-huile ... 27

Figure 5 diagramme de van Krevelen, H/C en fonction de O/C, des familles de composés O7 et O8 détectés lors de l’analyse (-)ESI-FT-ICR MS d’une bio-huile ... 28

Figure 6 Diagramme de van Krevelen diagram représentant les zones correspondant à différentes familles de composés 24 ... 29

Figure 7 représentation de l’équivalent double-liaison (DBE) en fonction du nombre d’atome de carbone (#C) pour des familles de composés O7 et O8 détectés lors de l’analyse (-)ESI FT-ICR MS d’une bio-huile ... 29

Figure 8 Distribution des ions de type CxHyN2+(•) détectés par (+) ESI et (+) LDI FT-ICRMS dans les particules de fumée du courant principal d’une cigarette française (MMS). ... 31

Figure 9 Suivi de l’évolution de la composition d’une bio-huile par LDI FT-ICR MS obtenue par pyrolyse rapide et avec ou sans traitement d’hydro-désoxygénation – distribution en fonction de la classe de composé et suivant les représentations de van Krevelen ... 33

Figure 10 Suivi de l’évolution de la composition d’une bio-huile par GCGC/MS en rouge et LDI FT-ICR MS en violet obtenue par pyrolyse rapide et avec ou sans traitement d’hydro-désoxygénation ... 33

Figure 11 Diagrammes de van Krevelen de bio-huiles analysées par ESI et APPI FT-ICR MS obtenues par pyrolyse (Raw B.O.) et par pyrolyse catalytique avec Zéolithe H-ZSM-5 (A1-7) et H-ZSM-5 hiérarchique (B1-7) ... 34

Figure 12 Comparaison des empreintes métaboliques par ESI FT-ICR MS de feuilles de vigne saines ou infectées par Plasmopara viticola ... 36

Figure 13 Image moléculaire de diacylglycérols d’une feuille de vigne par IMS (gauche) et images combinées obtenues par fluorescence et par IMS d’une même feuille de vigne infectée partiellement par un pathogène. ... 36

Figure 14 Spectres de masse ESI FT-ICR de molécules auto-assemblées dans l’acétonitrile a) OxM4L2, b) (NaphM4L2)2, et c) (NaphM4L2)2 en présence de DCTNF ... 38

Table des Tableaux

Tableau 1 Heures d’enseignement exercées entre 2012 et 2019 (en heure équivalent TD – en moyenne 248 HéqTD) ... 8

Tableau 2 Répartition des enseignements – année 2018-2019 (extraction de Alisse 27/04/2019) ... 9

Tableau 3 Production scientifique depuis 2017 et sur l’ensemble de la carrière) ... 11

Tableau 4 Responsabilités et partenariats de projets scientifiques ... 13

Tableau 5 Synthèse des communications scientifiques ... 16

Tableau 6 Liste des manifestations scientifiques organisées ... 17

Tableau 7 Caractéristiques des différents spectromètres FT-ICR du laboratoire entre 1984 et 2020 ... 23

Tableau 8 Nombre de formules CHNOSNa proposées en fonction de l’erreur de mesure de masse tolérée (en ppm) ... 24

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Liste des accronymes

2,5-DHB 2,5-Dihydroxybenzoic acid

2D FT MS Two dimensional Fourier transform mass spectrometry

ANSES Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail

APCI Atmospheric pressure chemical ionization

APLI Atmospheric pressure laser ionization

APPI Atmospheric pressure photoionization

C2MP Chimie - Mécanique - Matériaux- Physique (Ecole Doctorale)

CFP Catalyst fast pyrolysis

CID Collision-induced dissociation

DART Direct Analysis in Real-Time

DBE Double bound equivalent

DCTNF 9-dicyanomethylene-2,4,7-trinitrofluorene

EPA Environmental Protection Agency

ESI Electrospray ionization

FID Free induction decay or Flame ionization detector

FT-ICR MS Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry

GC Gas chromatography

GC-FID Gas chromatography coupled to flame ionization detector

GC-MS Gas chromatography coupled to mass spectrometry

GCxGC Comprehensive gas chromatography

GPC Gel Permeation Chromatography

HDO Hydrodeoxygenation

HRMS High resolution mass spectrometer

HZSM-5 Acid (protonated) Zeolite Socony Mobil-5

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry

KM Kendrick mass

KMD Kendrick mass defect

LC Liquid chromatography

LC-MS Liquid chromatography coupled to mass spectrometry

LCP-A2MC Laboratoire de Chimie et Physique – Approche Multiéchelle de Milieux Complexes

LDI Laser desorption ionization

LRGP Laboratoire Réactions et Génie des Procédés

LSMCL Laboratoire de Spectrométrie de Masse et de Chimie Laser

MALDI Matrix assisted laser desorption ionization

MS Mass spectrometry

NIST National Institute of Standard and Technology

NMR Nuclear magnetic resonance

PC2A PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère

PCA Principal component analysis

PLS Partial least square

RESEX Spectromètre de masse d’Extrême Résolution (Projet)

SFC (SFE) Supercritical fluid chromatography (extraction)

SPE Solid phase extraction

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TGE Très Grands Equipements (Réseau CNRS)

TIC Total ion current

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AVANT PROPOS

La chimie analytique est un domaine des sciences qui m’a très vite intéressé à l’Université, lorsqu’elle est apparue dans le contenu des cours de chimie à l’Université d’Angers. Très concrètement, qu’elle soit capable d’apporter à l’échelle de la molécule des données essentielles et insoupçonnées sur notre environnement m’a interpelé, fasciné. Je me suis alors plus particulièrement intéressé à la spectrométrie de masse, notamment à très haute résolution, pour étudier la composition de particules émises par des véhicules lors de ma thèse réalisée au Laboratoire de Spectrométrie de Masse et de Chimie Laser (LSMCL) sous la direction de Jean-François Muller et Gabriel Krier (Université Paul-Verlaine - Metz). Je les remercie vivement pour m’avoir permis d’entamer cette aventure. Pour autant, embrasser la carrière d’enseignant chercheur dans ce domaine a été un projet professionnel qui s’est révélé tardivement. Il s’est construit au cours de mes études universitaires jusqu’au doctorat, nourrit de rencontres avec de nombreuses personnalités du monde de la recherche et de l’enseignement supérieur. En effet, au sein de discussions, de travaux collaboratifs, de moments conviviaux, la vie d’équipe a un caractère émulatif puissant que ce soit pour la recherche scientifique, la pédagogie et les implications associées.

Après un post-doctorat réalisé au sein de la société Bruker Daltonic dans le cadre d’un partenariat avec l’Université de Metz et la société TOTAL, ma carrière d’enseignant-chercheur a débuté lors de mon recrutement sur un poste de Maitre de Conférence à l’Université d’Artois en 2005. Alors que j’enseignais au département chimie de l’IUT de Béthune, mes travaux de recherches réalisés au Laboratoire de Chimie-Physique Appliquée (LCPA), UMR CNRS 8522 (PC2A), étaient centrés sur la thématique “Formation et Emission des Polluants et Toxiques Automobiles”. Deux ans plus tard, l’Université d’Artois a décidé de ne plus reconnaitre l’équipe que je formais avec le Dr Laurent Gasnot et le Pr Rodolphe Minetti après le départ à la retraite de ce dernier. Pour poursuivre une activité de recherche dans mon domaine d’expertise, j’ai sollicité et obtenu ma mutation au LSMCL de l’Université Paul Verlaine - Metz (maintenant LCP-A2MC de l’Université de Lorraine).

Depuis mon arrivée, j’enseigne la chimie à l’UFR Sciences Fondamentales et Appliquées (SciFA) et mes activités de recherche s’inscrivent dans le thème Chimie Durable et Environnement. J’ai mentionné l’importance de la vie d’équipe dans mon choix de devenir enseignant chercheur, je souhaite ici vivement remercier cette formidable équipe de collègues et amis qui ont pu rendre ces travaux possibles notamment Frédéric Aubriet, Patrick Chaimbault, Sébastien Schramm, Lionel Vernex-Loset et Gabriel Krier, et bien d’autres à différentes périodes. Bien évidemment, cette équipe de choc est renforcée de thésards et post-doctorants qui ont apporté largement leur contribution aux travaux que je vais présenter dans ce manuscrit : Jasmine Hertzog, Ali Zaiter, Loïc Becker, Adama Kamissoko pour ne citer qu’eux.

Dans l’objectif de dresser un bilan de mes activités d’enseignant chercheur et de développer les perspectives de recherche qui constituent mon projet, ce document présente trois parties.

La première est une notice individuelle décrivant mon parcours et l’évolution de ma carrière. Il est complété par la présentation de mes activités d’enseignement et mes implications dans la vie de l’établissement. Elle se termine par le bilan synthétique des productions scientifiques associées à mes activités de recherche, des responsabilités d’encadrement et de projet, puis des actions de valorisation.

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Une seconde partie est consacrée à la présentation synthétique des travaux de recherche que j’ai, nous avons, entrepris au sein du LCP-A2MC depuis mon arrivée en 2007. Ils s’inscrivent dans une dynamique de développement de nouvelles méthodes d’analyse moléculaire par spectrométrie de masse dans le domaine de l’environnement, de l’énergie et du vivant. Je me consacre à la mise en place de ces méthodes résolutives d’identification soit par la mesure de masse exacte en y associant la spectrométrie de masse à très haute résolution (FT-ICR MS), soit dans le domaine de la localisation spatiale à l’échelle microscopique en imagerie moléculaire par spectrométrie de masse. Je repréciserai donc les concepts généraux de l’analyse non-ciblée par spectrométrie de masse à très haute résolution qui a une place importante dans les approches que j’ai entreprises. Parmi les différentes sources d’ionisation explorées, je présenterai un peu plus en détail la désorption/ionisation laser qui offre des potentialités concrètes d’effectuer des analyses in situ de matériaux bruts ou transformés. J’aborderai différents domaines d’application associés à ces développements : l’étude de particules et/ou condensats générés par la combustion incomplète et/ou la pyrolyse, notamment issue de la biomasse lignocellulosique, ainsi que l’étude de métabolites « spécialisés » de plantes, concernant plus particulièrement la vigne. Enfin, je présenterai un des derniers travaux mené dans le cadre du réseau TGE FT-ICR.

Finalement, la dernière partie s’attachera à dresser les voies de recherche que j’envisage mener ces prochaines années.

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NOTICE INDIVIDUELLE

I. Formation professionnelle

2012-2019 Maître de conférences à l’Université de Lorraine

Structure de recherche :

Laboratoire de Chimie et Physique – Approche Multi-échelles des Milieux Complexes (LCP-A2MC, UR 4632 : Direction : Pr. Olivier Pagès), Equipe chimie durable et Environnement (Responsable : Pr. Frédéric Aubriet)

Institut Jean Barriol (FR CNRS 2843) / Pôle scientifique UL CPM (Direction : Pr. Jean-Luc Blin) Fédération TGE FT-ICR à très haut champ (FR CNRS 3624) (Direction Pr. Carlos Afonso) Ecole Doctorale C2MP (Direction : Pr. Dominique Daloz)

Structure d’enseignement

UFR Sciences Fondamentales et Appliquées (SciFA) (Direction. Pr. Nicolas Oget) Collégium Sciences et Techniques (Direction. Pr. Dominique Sauter)

2007-2012 Maître de conférences à l’Université Paul Verlaine de METZ

Structure de recherche :

Laboratoire de Spectrométrie de Masse et de Chimie Laser (LSMCL EA 4632 : Direction : Pr. Jean-Jacques Gaumet),

Structure d’enseignement

UFR Sciences Fondamentales et Appliquées (SciFA) (Direction. Pr. Jean-Georges Gasser)

2005–2007 Maître de conférences à l’Université d’Artois

Structure de recherche :

Laboratoire de Chimie-Physique Appliquée (LCPA)

“PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère” (PC2A) UMR CNRS 8522

(Direction : UMR : Pr. Jean-François Pauwels LCPA : Pr. Rodolphe Minetti)

Structure d’enseignement

IUT de Béthune – Département Chimie (Direction : IUT : Dr. Pierre Boulet)

2004–2005 Stage Post-doctoral

Détachement pour un an au laboratoire de développement et d’application de la société Bruker Daltonic à Brême en Allemagne dans le cadre d’un projet tripartite Université Paul Verlaine, Metz – Société TOTAL – Société Bruker Daltonic

“Etude et identification par spectrométrie de masse à très haute résolution FT-ICR MS des acides naphténiques contenus dans des pétroles bruts – Analyse structurale”

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2000–2003 Thèse de Doctorat de l’Université Paul Verlaine, Metz, discipline chimie

Réalisée au Laboratoire de Spectrométrie de Masse et de Chimie Laser (LSMCL EA 4632 : Direction : Pr. Jean-François Muller), soutenue publiquement le 12 Décembre 2003. Convention CIFRE avec la société TOTAL “Caractérisation par désorption/ionisation laser couplée à la spectrométrie de masse de particules émises par des véhicules diesel. Mise en place d’une méthode impliquant la formation de complexes à transfert de charge”

Directeurs de Thèse : Pr. Jean-François Muller, Dr. Gabriel Krier

II. Activités d’enseignement et d’administration

Enseignements :

Recruté en 2005 à l’Université d’Artois, j’ai exercé mes deux premières années d’enseignement en chimie générale au sein de l’IUT chimie de Béthune (1ère/2ème années, LPro Analyse Chimique). En 2007, j’ai intégré

le département chimie de l’UFR SciFA de l’Université Paul Verlaine de Metz et mes enseignements se sont répartis du L1 au M1 en chimie générale et chimie analytique correspondant à la section CNU 31. Je rempli depuis ma nomination mon service statutaire (192 HéquTD) principalement dans ma composante de rattachement (UFR SciFA). Un exemple de la totalité des heures effectuées sur les 7 dernières années est donné Tableau 1. Ces deux dernières années sont un peu particulières parce qu’il a été nécessaire de prendre en charge une partie des enseignements d’un collègue de la même section CNU et dont la prolongation d’arrêt maladie était difficilement anticipable.

Année universitaire Nombre d’heures de service (Héq TD

2018-2019 270 2017-2018 284 2016-2017 202 2015-2016 209 2014-2015 241 2013-2014 267 2012-2013 264

Tableau 1 Heures d’enseignement exercées entre 2012 et 2019 (en heure équivalent TD – en moyenne 248 HéqTD)

Mes enseignements sont dans des disciplines proches et ont évolué avec des répartitions différentes en CM/TD/TP. Le Tableau 2 présente un aperçu de la répartition de mes activités d’enseignement par nature (CM, TD, TP, responsabilités d’unités d’enseignement) et par niveau (L, M) au cours de l’année 2018-2019 (nouvelle contractualisation). J’interviens principalement au niveau Licence en chimie générale et mes enseignements en master sont plus associés à mes activités de recherche. Les responsabilités d’unités d’enseignement intègrent l’organisation du planning enseignement avec les différents intervenants / préparation des sujets d’examen / suivi de l’évolution des enseignements par rapport au contenu à traiter et le cas échéant la gestion des examens en commun avec le site de Nancy.

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Tableau 2 Répartition des enseignements – année 2018-2019 (extraction de Alisse 27/04/2019)

Responsabilités pédagogiques

• Responsable des stages du Master de Chimie - Synthèse Caractérisation et Environnement (M1 et M2 – environ 30 étudiants/an) : http://www.master-chimie.formation.univ-lorraine.fr/ : Recherche et suivi des stages universitaires et industriels / évaluation rapports et soutenances / relations université-industrie : 2008-2017

Composante Filiè re Elt CM TP TD EI

23 81 120 30 0 0 5 0 0 0 5 0 0 0 5 0 23 81 99 30 11 69 26.5 0 0 0 8 0 11 69 14 0 0 0 4.5 0 0 0 0 30 0 0 0 30 0 0 6 0 0 0 6 0 0 4 42.5 0 0 0 10 0 0 0 15 0 0 0 7.5 0 0 4 0 0 0 0 10 0 0 0 6 0 0 0 6 0 0 0 10 0 0 0 10 0 12 8 0 0 12 8 0 0 0 0 8 0 0 0 8 0 0 0 16 0 0 0 16 0 0 0 16 0

HE0 IUT METZ

1KDME3-314 A1-DUT Mesures Physiques (Metz) (DECAL)

1KEE3M23 Structures Atomiques et Moléculaires

He ure s totale s Responsabilité UE

7WFM30-800 M1-Chimie (METZ) (FI) 7WE30M09 Spectrométrie de masse

7WFM52-800 M1-Gestion de l'Environnement (METZ) (FI)

7WE52M11 Chimie analytique appliquée à l'environnement

9WFMCP-800 M2- Chimie PT Chimie Durable et Environnement (METZ) (FI)

9WECPM08 Couplage méthodes séparatives à la spectrométrie de masse

5WE30M05 Chimie quantique 5WE30M06 Chimie orbitalaire 5WE30M10 Travaux pratiques UE 533 6WE30M04 Spectrométrie de Masse

5WFMON-800 L3-Sciences de la vie PT Sciences de l'Environnement (METZ) (FI)

5WEONM17 Air - Terre - Eau

1WFMK9-800 L1-Portail Physique Chimie (METZ) (SciFA) (FI)

1WEK9M06 Chimie Générale 3WFM30-800 L2-Chimie (METZ) (FI)

3WE30M06 Introduction à la Spectroscopie 5WFM30-800 L3-Chimie (METZ) (FI)

5WE30M04 Spectroscopie 2

0KEFNN00 EC Maison pour la science en lorraine FC0 UFR SCIENCES FONDAMENTALES ET

APPLIQUEES

1WFM27-800 L1-Portail Sciences de la Vie et de l'Environnement (METZ) (FI)

1WE27M05 Atomistique 1WE27M06 Chimie des solutions

1WE27M12 Méthodologie appliquée aux sciences de la vie

Dé signation

Total global de s he ure s de toute s le s composante s

CA0 ECOLE SUP PROFESSORAT EDUCATION QKFN01-501 Maison pour la science en lorraine

(13)

• Membre du jury du master mention Chimie de l’Université de Lorraine : 2012-2017

• J’assure la responsabilité de 2 unités d’enseignement ou d’éléments constitutifs dans le cadre d’enseignements de chimie : Chimie Générale L1 SV (chimie des solutions, atomistique et liaison chimique), les techniques d’analyses appliquées à l’environnement (M1 Gestion de l’Environnement / parcours Génie de l’Environnement).

Responsabilités dans les instances locales et nationales

• Depuis 2017 : Elu directeur du département chimie de l’UFR Sciences Fondamentales et Appliquées (SciFA – Université de Lorraine)

Entité : 23 enseignants et enseignants chercheurs, 2 techniciennes, 3 doctorants contractuels en mission d’enseignement, 15 vacataires

Missions : Représentation du département auprès des instances de direction de l'UFR et de l'Université, gestion du personnel technique, mise en œuvre des actions visant à assurer la bonne marche du département : réunions (département, commissions, conseil), gestion des moyens mis en commun pour des opérations d'intérêt général, répartition et veille à la bonne utilisation des moyens financiers, répartition des services d'enseignement des membres du département, représentation du département dans des actions de communication et de promotion des formations de l’UFR, gestion et soutien des différents travaux liés à la pédagogie en collaboration avec les responsables de filière. • Depuis 2018 : Elu membre du conseil d’administration de la Société Française de Spectrométrie de

Masse pour 3 ans

Entité : Société savante regroupant environ 300 adhérents de laboratoires de recherche français Missions : Participation à l’administration de la société, à la promotion de la Spectrométrie de Masse et des techniques associées, à leurs enseignements, au rassemblement lors de congrès et journées thématiques, à assurer les échanges d'informations avec les organisations scientifiques françaises et étrangères – Mission particulière : Webmaster

• Elu au conseil de Pôle scientifique Chimie et Physique Moléculaires (CPM) de l’Université de Lorraine : politique scientifique du pôle CPM regroupant les laboratoires CRM2, LCPME, SRSMC et LCP-A2MC / définition des priorités (COM), aide aux projets scientifiques, répartition des soutiens (humains et financiers) – 2014-2017.

• Elu au conseil d’administration de l’UFR Sciences Fondamentales et Appliquées (SciFA) – Université de Lorraine : 2013 – 2017

• Membre de la commission des moyens de l’UFR Sciences Fondamentales et Appliquées (SciFA) – Université de Lorraine : 2013 –2017

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III. Activités de recherche

Production Scientifique

Type Total depuis 2017 Total

Rang A (Impact facteur >1) : nombre et principaux

journaux

17 34

Rang B (pas IF) 0 1

Proceeding 3 13

Vulgarisation 1 2

Chapitre d’ouvrage 3 4

TOTAL 24 54

Tableau 3 Production scientifique depuis 2017 et sur l’ensemble de la carrière)

h-index = 15 (Scopus 06/2020) ORCiD: 0000-0002-0719-7366

La liste détaillée des productions scientifique est donnée en annexe 1 Responsabilités Scientifiques

i. Responsabilités depuis ma nomination

• Dans le cadre de la thèse de Sébastien Schramm, Frédéric Aubriet et moi-même avons mis en place un contrat de collaboration avec la société Eurofins–ASCAL (Forbach). Ce contrat a permis la mise en place et la validation de méthodes de prélèvement et de mesure de contaminants en atmosphère intérieure (Contrat UHP AG n°1149 - 9 juillet 2010).

• De 2011 à 2014, j’ai été responsable de l’imagerie moléculaire par spectrométrie de masse dans le cadre du projet tripartite entre le Centre Interprofessionnel des Vins de Bordeaux, l’INRA de Colmar et l’Université de Lorraine portant sur « l’identification et suivi in situ de composés impliqués dans la défense des feuilles de vignes caractérisées pour leur niveau de résistance au mildiou» - Budget de 154 k€ HT (financement doctorant + fonctionnement / Responsable UL Pr. Patrick Chaimbault)

• En 2013-2014 j’ai été partenaire des projets « Porphy 1 et 2» déposés à la région Lorraine portant sur la caractérisation de nacre des huîtres perlières du Pacifique et leur emploi pour la production de dispositifs photo-actifs (Porteur Samuel Margueron LMOPS, Pôle M4 de l’UL). Une dotation de 2 fois 12 k€ en fonctionnement a été attribuée au LCP-A2MC.

• Avec l’Equipe Greener du LRGP (ENSIC– UMR Université de Lorraine / CNRS), je suis partenaire dans la collaboration portant sur l’analyse et de l’étude de bio-carburants de seconde génération obtenus par pyrolyse de la biomasse. Dans ce cadre, j’ai assuré entre le 1er avril 2013 et le 31 mai 2014 la

coresponsabilité de Mr Thierry Ghislain (post-doctorant) au sein de notre laboratoire.

• en 2015 : projet scientifique porté par P. Chaimbault et moi-même intitulé « Mise en place d’une

approche combinée d’analyse pour identifier et suivre l’évolution de l’infection d’une feuille de vigne par Botrytis cinerea » soutenu et financé par l’axe M3V (Micro-organismes, Macromolécules et

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inter-unités de recherche de l'Institut et innovant) – 3 k€

• En 2016 : Dans le cadre du COST Lignoval, une aide financière d’un montant de 3 k€ nous a été attribuée. Elle a permis à Jasmine Hertzog (doctorante co-dirigée) de financer un séjour de deux fois un mois (Août et Octobre 2016) à l’Université d’Edimbourg dans le cadre de sa thèse de doctorat au UK Biochar Research Center et d’initier une collaboration avec le Professeur O. Masek.

ii. Responsabilités en cours :

• Depuis 2016 (2016-2020), je suis partenaire du projet BIOVAL financé (à hauteur de 1843,62 k€) dans le programme transfrontalier de coopération territoriale européenne 2014-2020 INTERREG V A « Grande Région » dont le coordinateur local pour l’Université de Lorraine est le Pr Patrick Chaimbault. Sujet : Mise en place d'une filière de valorisation des drêches de brasserie dans un contexte d'économie circulaire – Dotation FEDER de 180 k€ pour 3 ans (financement post-doc + fonctionnement).

• Par ailleurs, depuis 2010 j’exerce des responsabilités au sein du Réseau National de Spectrométrie de Masse FT-ICR à très haut champ (FR CNRS 3624). Dans le cadre de la plateforme nationale du CNRS Très Grand Equipement – Spectrométrie de masse à très haute résolution FT-ICR MS devenu au 1er janvier 2014 Fédération de Recherche CNRS, je suis responsable de la réalisation des analyses pour le site de l’Université de Lorraine (Responsable Accueil). Ouvert à l’ensemble de la communauté scientifique française, j’assure avec le Pr. Frédéric Aubriet la réalisation de manipulations sur le grand équipement FT-ICR MS du site de Metz (9,4T puis 7T depuis 2019).

Depuis sa création, annuellement et en moyenne, près d’une cinquantaine de journées d’accueil sont réalisées (12 à 15 k€/an).

.

• Depuis 2010, je suis responsable de la thématique Imagerie par Spectrométrie de Masse au laboratoire. Le développement de cette thématique s’accompagne de l’évolution des techniques (MS, informatique, robots) permettant la réalisation d’images de manière plus rapide et répétable.

• Je suis Pompier Expert sur l’analyse chimique auprès des Services Départementaux d'Incendie et de Secours de la Moselle (SDIS 57) dans le cadre de la menace NRBC depuis 2011 (référent pour la prévention et l’évaluation des risques de sécurité civile / formation sur l’utilisation des instruments analytiques embarqués dans le VDIP –Véhicule de Détection d’Identification et de Prélèvement / interventions sur la Région Grand Est).

• Projet LUE (Lorraine Université d’Excellence – cadre ISITE) Mirabelle + obtenu en 2018 en tant que partenaire / porteur : Anthony Dufour (LRGP – UL-CNRS) : LIGN-IN – Valorisation of lignin in biorefineries: from molecular to process scales. Dans ce projet, nous travaillons sur l’étude et le suivi par spectrométrie de masse FT-ICR MS de l’efficacité de catalyseurs de désoxygénation de molécules modèles et lors de leur utilisation en charge réelle (mélange complexe issu de la pyrolyse de la lignine)

• Projet RESEX Région-Europe-Collectivités Locales : Depuis 2017, je participe en tant que partenaire à la mise en place et au développement d’un consortium de six laboratoires de la Région Grand-Est (trois de l’Université de Strasbourg, deux de l’Université de Lorraine et un de l’Université de Reims Champagne Ardennes) dans le cadre du projet RESEX co-porté par le Pr. Frédéric Aubriet et le Dr Gabriel Krier. Ce programme d’un montant de 1 661 k€ a été financé par l’AAP régional 2017 et a pour vocation à mettre en place une plateforme analytique innovante dans la Région Grand Est (associant différents laboratoires) dans le domaine de la spectrométrie de masse de très haute résolution de portée Nationale et Européenne.

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 Les Projets EC2CO, SCHEMA et NECROROOT sont des projets émergeants dans les domaines de l’imagerie par spectrométrie de masse. Le premier est associé à l’étude de composés contaminants dans les eaux de surface (collaboration avec le LIEC UMR 7360 – Laetitia Minguez). Le deuxième concerne l’étude de la stabilisation des vins et caractérisation de la matrice colloïdale (étude suivant le traitement et provenance des raisins) en collaboration avec différents partenaires (ISVV, l’Université de Bordeaux, Bucher Vaslin et Biolaffort). Le dernier projet NECROROOT a pour objectif de mieux comprendre les interactions entre certaines bactéries et le peuplier (collaboration avec Bertrand Aigle porteur du projet UMR 1128 DynAMic, et Aurélie Deveau UMR 1136 IAM)

 Enfin, je suis co-responsable avec Yann Battie et David Gonzalez-Rodriguez de l’animation scientifique du laboratoire : organisation de séminaires, journée des doctorants.

iii. Récapitulatif des financements obtenus pour les contrats de recherche

Le tableau suivant regroupe les responsabilités et partenariats de projets scientifiques financés sur l’ensemble de ma carrière

Type de contrat (ANR, Européen, Région, Industriel, prestation….)

Année Rôle Montant total du contrat Part revenant au laboratoire NECROROOT (Labex ARBRE) 2020-2021 partenaire 10 k€ 3 k€ SCHEMA (Région/industriels) 2020-2022 partenaire 889 k€ 8,4 k€ EC2CO (CNRS) 2019-2020 partenaire 13,6 k€ 6,8 k€ RESEX (Région/Feder/Metz Metropole/CG 57) 2018-2022 partenaire 1661 k€ 1661 k€ LIGN_IN (Mirabelle +, LUE) 2018-2020 partenaire 137 k€ 6 k€ BIOVAL (Interreg 5, Europe) 2016-2020 partenaire 3072,7 k€ 180 k€ PEPS NanoPhotoLib (CNRS-UL) 2016 partenaire 25k€ 3k€ COST LIGNOVAL (Europe) 2016 partenaire 3k€ 3k€ Projet IJB-UL, M3V (UL) 2015 porteur 3 k€ 3 k€

PEPS Porphy 2 (UL) 2014 partenaire 12 k€ 6 k€

PEPS Porphy 1 (UL) 2013 partenaire 12 k€ 6 k€

IR TGE FT-ICR Depuis 2010 Resp. Accueil 150 k€ 150 k€

Industriel (CIVB) 2010-2014 partenaire 154 k€ 154 k€

Total 2190,2 k€

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Encadrement doctoral

Sébastien Schramm : Etude de la composition de différentes fumées de cigarette associées aux tabagismes actifs et passifs.

Thèse de doctorat spécialité chimie-physique (2009–2012). Soutenue le 21 novembre 2012 Co-direction : 50 % Vincent Carré et 50 % Prof. Frédéric Aubriet.

Financement par contrat doctoral / Ecole doctorale SESAMES Position actuelle : Maitre de Conférences – Université de Lorraine

Loïc Becker : Identification et suivi par Spectrométrie de Masse de composés impliqués dans la défense des feuilles de vignes caractérisées pour leur niveau de résistance au mildiou

Thèse de doctorat spécialité chimie-physique (2011–2014) – soutenue le 17 juin 2014 Co-direction : 50 % Vincent Carré et 50% Pr. Patrick Chaimbault

Financement par le Centre Interprofessionnel des Vins de Bordeaux / Ecole doctorale SESAMES Position actuelle : Ingénieur de Recherche – Startup Nantaise

Jasmine Hertzog : Analyse par spectrométrie de masse avancée de bio-huiles issues de la pyrolyse du bois en vue de l'optimisation de ma production de biocarburants de seconde génération

Thèse de doctorat spécialité chimie (2014–2017) – Soutenue le 23 octobre 2017 Co-direction : 50 % Vincent Carré et 50% Pr. Frédéric Aubriet

Financement par contrat doctoral / Ecole doctorale SESAMES

Position actuelle : Post-doc au HelmholtzZentrum Muenchen (Allemagne)

Adama Kamissoko : Investigation of one of the more significant Indoor atmosphere pollutant: the cigarette smokes

Thèse de doctorat spécialité chimie (2015–2018) – soutenue le 20 décembre 2018 Co-direction : 50 % Vincent Carré et 50% Pr. Frédéric Aubriet

Financement par la Banque Islamique de Développement Position actuelle : Enseignant contractuel

Anthony Abou Dib : Développement méthodologique en FT-ICR MS pour l’étude de bio-huiles issues de la pyrolyse de la biomasse

Thèse de doctorat spécialité chimie (2020 - 2023)

Co-direction : 50 % Vincent Carré et 50% Pr. Frédéric Aubriet Financement Programme RESEX

Encadrement de stagiaires Master Chimie (M2) :

“Etude par MALDI IMS de phytotoxines de la vigne“ – Sara Bensamdi, encadrement à 100% (2019-2020) “Synthèse et caractérisation de copolymères Liquides ioniques / Méthacrylate de Méthyle“ – Matthieu

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“Cultural heritage investigation by LDI-MS” - Rugilė ŽOSTAUTAITE, ERASMUS+, Université de Vilnius (Lituanie), encadrement à 100% (2015).

“Optimization of MALDI-TOF MSI in grapevine leaves and development of MALDI-TOF MS screening test to evidence if Resveratrol, Pterostilbenes and Synthetic Polysulfane derivates are reversible or irreversible inhibitors of Tubulin” – Inês BORREGO, ERASMUS Leonardo da Vinci Program for Master’s Degree in Pharmaceutical Sciences, encadrement à 100% (2014)

“Optimization of the matrix deposition by a semi-automated matrix spraying for the simultaneous location of Resveratrol, Pterostilbene and viniferins on Grapevine Leaves by MALDI-MSI / MALDI-MS screening test to evidence if SV37 and AF15, -20, -25, -47 are irreversible or reversible inhibitors of the A, B and C isoforms of CDC25 phosphatases” – Mariana NORONHA, ERASMUS Leonardo da Vinci Program for Master’s Degree in Pharmaceutical Sciences, encadrement à 100% (2014)

“Synthèse de monomères ioniques et de polyelectrolytes et études de leurs propriétés en

Spectrométrie de masse” – Charlotte Balle, encadrement à 50%, encadrement à 50% par le Dr. Michèle Sindt) (2014/2015)

“Analyse par FT-ICR MS de biohuiles issues de la pyrolyse du bois” – Alexandre Sonnette, encadrement à

100% (2014)

“Apport des études métabolomiques par spectrométrie de masse à très haute résolution à la vigne” – Loïc Becker, encadrement à 100% (2010)

Encadrement de stagiaires Master 1 / L3 / IUT :

IUT « Chimie formulation » : Alizée Lopez (IUT-2013)

Licence Professionnelle « Moteur Thermique et Vibration Acoustique » : Jonathan BORIES (L3-2007), Pierre

BOULOGNE (L3-2007)

Licence « Chimie » : Gabriel GAIFFE (L3-2011), Melissa BENIDIR (L3-2017)

Magistère « Physico-Chimie Moléculaire » : Charlotte VICHERY (1ère année-2007)

Master Chimie : Loïc BECKER (50% M1-2009), Maxence HOUZELLE (50% M1-2010), Wissam SAYOUN (50%

M1-2010), Selim MEBARKI (100% M1 2014), Nawal BERRADA (100% M1-2015), Jérome MAUCORPS (100% M1-2016), Célia OUBETROUNE (100%, M1-2017), Mélissa BENIDIR (100% M1 – 2019).

Membre de comité de suivi de thèse :

“Tests des composés de la nacre sur l’activité des ostéoblastes et leur mécanisme d’action”

Etudiant : Ganggang Zhang, Direction de thèse : Pr. Pierre Gilet / Dr. Marthe Rousseau (IMoPA – UMR 7365 CNRS – Université de Lorraine) – Thèse soutenue le 29 juin 2017

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Participation à des jurys de thèse (Examinateur)

Vincent DAPPE (soutenue le 07 décembre 2015) « Impact de la pollution de l’air en milieu industriel sur l’accumulation et le transfert foliaire des métaux dans les végétaux » (Direction : Sophie Sobanska (CR) et Benjamin Hanoune (CR), LASIR et PC2A CNRS/Université de Lille 1))

Grégory HAMM (soutenue le 02/07/2010) « Etude de l’influence des métabolites primaires et secondaires dans la résistance de la vigne aux agressions et pathogènes » (Direction : Pr. J.F. Muller, Pr. B. Maunit – l’Université Paul Verlaine de Metz / Université de Lorraine)

Maria Claudia MIHESAN (soutenue le 17/12/2007) : « Mise en œuvre et caractérisation d’une technique de désorption laser couplée à la spectrométrie de masse pour l’analyse d’hydrocarbures aromatiques

polycycliques adsorbés à la surface de particules de suies » (Direction : Pr. C. Focsa, DR. P. Desgroux, PhLAM-PC2A CNRS/Université de Lille1)

Valorisation et Rayonnement Scientifique

i. Diffusion Scientifique par communication

Le détail des communications sont donnés durant les 4 dernières années et depuis le début de carrière (la liste exhaustive des travaux sur l’ensemble de la carrière est fournie en annexe)

Type

Total depuis les 4 dernières années

(2020-2017) TOTAL Total En tant qu’orateur (ou étudiant encadré) Total En tant qu’orateur (ou étudiant encadré) Conférences invitées 1 0 4 0 Séminaires invités internationaux 2 2 4 3

Séminaires invités nationaux 1 0 4 3

Communications orales dans manifestations

internationales

3 2 15 7

Communications orales dans

manifestations nationales 2 2 15 9

Communications par affiche dans manifestations

internationales

4 3 17 10

Communications par affiche dans manifestations

nationales

6 4 16 10

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ii. Organisation de colloques/congrès Nom Type de manifestat ion Internationale ou nationale Période Nombre de participants Rôle

NutriOx Workshop national 1-3 oct

2014 60

Organisateur local

European Mass

Spectrometry Conference Congrès international

11-15 mars 2018 560 Chairman Comité d’organisation et scientifique

Tableau 6 Liste des manifestations scientifiques organisées

iii. Prix et distinctions

Projet intitulé "Carburez Vert!" finaliste et récompensé du 3ème prix du Trophée MC6, porté par Jasmine HERTZOG, doctorante codirigée (présentation en 6 minutes d’un projet-étudiant innovant avec l’aide d’un parrain entrepreneur) - 2016

Prix du meilleur poster présenté par Jasmine HERTZOG (doctorante codirigée) au 13th European FTMS Workshop, à Freising (Allemagne) 24-27 avril 2018

iv. Membre de comité de sélection

2011 : Membre du comité de sélection pour le poste MCF 805 en 31ème section à l’Université de Lorraine. 2017 : Membre du comité de sélection pour le poste MCF 0924 en 31ème section à l’Université de

Lorraine.

v. Activité de référee

Rapporteur dans des revues à comité de lecture :

Analytical Chemistry (ACS), Energy and Fuel (ACS), Rapid Communications in Mass Spectrometry (Wiley), Chemistry - A European Journal (Wiley), Journal of Biomolecular Screening (SAGE), Atmospheric

Measurement Techniques (Copernicus), International Journal of Environmental Research and Public Health (MDPI), Applied Sciences (MDPI), Molecules (MDPI), Journal of Analytical and Applied Pyrolysis (Elsevier), Applied Energy (Elsevier), Energy (Elsevier), Trends in Food Science & Technology (Elsevier), Physiological and Molecular Plant Pathology (Elsevier)

vi. Activité d’évaluation pour l’ANR

2015 : évaluation d’un projet ANR (AAP 2015) / évaluation de 10 pré-projets ANR (AAP 2016) 2016 : évaluation d’un projet ANR (chaire industrielle)

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BILAN DES ACTIVITES DE RECHERCHE

Mes activités de recherches qui ont mené à la production scientifique synthétisée dans la première partie de ce manuscrit sont centrées sur l’apport de la spectrométrie de masse dans le domaine de l’environnement, de l’énergie ou du diagnostic biologique. Elles ont été menées en majorité au LCP-A2MC, unité de recherche de l’Université de Lorraine.

Outre les approches conventionnelles de mesures de masse, la méthodologie sur laquelle je me suis particulièrement investi s’oriente sur :

- la caractérisation de mélanges complexes par des approches non-ciblées ;

- l’exploration des potentialités de la spectrométrie de masse par résonance cyclotronique des ions à transformée de Fourier (FT-ICR MS) ;

- l’exploration des potentialités des sources d’ionisation par laser.

Par conséquent, je m’attacherai dans une première partie à décrire ce que l’on entend par approche non ciblée en précisant les différents outils nécessaires à son exploitation. Je profiterai de cette présentation générale pour rappeler quelques caractéristiques de fonctionnement d’un spectromètre de masse FT-ICR. Dans une seconde partie, j’aborderai différentes études pour lesquelles cette approche a notamment été mise en œuvre. Il s’agira d’études portant sur la caractérisation de particules en air intérieur ou extérieur, sur les produits de pyrolyse de la biomasse lignocellulosique, ainsi que l’étude de métabolites « spécialisés » associés aux plantes, en particulier la vigne. Concernant cette dernière application, je développerai également les développements qui nous ont permis d’appréhender la localisation spatiale à l’échelle microscopique en imagerie moléculaire par spectrométrie de masse (IMS). Enfin, parmi les collaborations nouées dans le cadre de la Fédération de Recherche FT-ICR à très haut champs, je présenterai plus particulièrement quelques travaux marquants sur la caractérisation de macromolécules par FT-ICR MS.

I. Etudes de mélanges complexes par des approches non-ciblées

De manière complémentaire aux études consacrées à la recherche voire la quantification de quelques composés connus dans des mélanges, les études non-ciblées consistent à mettre en place des analyses moléculaires sans a priori. L’idée est donc d’analyser tout ce qui est possible avec une ou plusieurs techniques et de systématiquement considérer tous les signaux mesurés. Cette approche est particulièrement intéressante pour étudier de manière détaillée la globalité d’un système permettant ainsi l’observation de toutes modifications consécutives à une action (maladie, contamination, irradiation, traitement chimique ou thermique, modification de l’environnement, …).

Différentes techniques analytiques peuvent être envisagées telles que la RMN ou la spectrométrie d’absorption IR ou RAMAN, mais seule la spectrométrie de masse est capable d’apporter des informations sur la composition chimique élémentaire des molécules d’un mélange. Pour que cette approche apporte autant d’information moléculaires sur un mélange, le spectromètre de masse doit posséder des performances élevées. Idéalement, le spectromètre de masse doit être suffisamment sensible pour détecter un grand nombre de composés aux propriétés physico-chimiques différentes et présents en quantités variables sur une large gamme de masse. Il doit également permettre la mesure précise de masse, y compris pour des composés de masses très proches. Les spectromètres de masse à très haute résolution (HRMS) répondent en grande partie à ces exigences puisqu’ils possèdent un très haut pouvoir de résolution (plusieurs centaines de milliers) et une très haute précision de la mesure de masse (de l’ordre du ppm).

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L’approche non-ciblée par HRMS est au cœur de mes activités de recherche. Plus spécifiquement, le développement de méthodes d’analyse non-ciblée par spectrométrie de masse à résonance cyclotronique des ions et à transformée de Fourier (FT-ICR MS) m’a permis de contribuer à la description détaillée de la composition chimique de mélanges complexes. Les parties suivantes décrivent de manière générale, l’analyse non-ciblée par spectrométrie de masse en précisant les avantages et limitations de cette approche, les mesures par spectrométrie de masse FT-ICR et les outils de traitement de données.

L’analyse non-ciblée de mélanges complexes par spectrométrie de masse

D’un point de vue général, un spectromètre de masse fonctionne avec dans l’ordre, un système d’introduction de tout ou partie d’un échantillon, une source d’ionisation, un analyseur de masse et un détecteur. Cette chaine d’éléments et d’évènements peut être choisie et adaptée à la mesure de la masse d’un composé donné (analyse ciblée). Dans le cadre de l’analyse non-ciblée d’un échantillon, idéalement, la masse de tous ses constituants est mesurée. En pratique, ce n’est jamais le cas pour les mélanges complexes. Chaque élément du spectromètre de masse a une action qui peut être discriminante et seule une partie des constituants d’un mélange est réellement accessible. Différents facteurs vont influer :

- la nature, l’état, la forme, la réactivité et la quantité d’un échantillon ;

- les propriétés physiques et chimiques des composants de l’échantillon (absorption, pression de vapeur saturante, polarité, solubilité, interactions, stabilité) ;

- les caractéristiques de la source d’ionisation (fonctionnement, configuration, linéarité, gamme dynamique, sensibilité, stabilité) ;

- les performances de l’analyseur et du détecteur des ions (résolution, précision de mesure, gamme dynamique, gamme de masse, sensibilité, temps de réponse).

Finalement, l’analyse non-ciblée d’un échantillon par spectrométrie de masse permet une couverture partielle plus ou moins large de sa composition suivant la combinaison de ces éléments. Le choix est donc guidé par la problématique qui conduit à l’analyse et bien sûr, par le matériel disponible en laboratoire. Différentes stratégies d’analyse peuvent être mises en place pour permettre l’étude d’un grand nombre de molécules d’un échantillon suivant sa nature. Elles consistent à:

- simplifier l’échantillon en n’étudiant qu’une partie (extraits, fractions) - adapter la concentration de l’échantillon et la composition du solvant

- utiliser en amont du spectromètre de masse, un système de séparation chromatographique (GC, LC, GPC, SFE)

- modifier les propriétés d’un échantillon (ajout de matrice, ajout d’un dopant)

- mesurer la masse des ions avec un spectromètre de masse à très haute résolution (FT-ICR MS, Orbitrap).

- adapter la source d’ionisation à une large gamme de composés d’intérêt.

Nous nous inscrivons au laboratoire dans ces approches, centrées principalement sur l’utilisation de spectromètres de masse de très haute résolution. La nécessité de travailler avec ces outils pour des analyses non-ciblées est clairement établie.1 Depuis plus de 30 ans, le laboratoire est reconnu pour son expertise en

spectrométrie de masse à résonance cyclotronique des ions et à transformée de Fourier (FT-ICR MS). Depuis mon arrivée au laboratoire, je travaille plus particulièrement à la mise en place de méthodes d’analyse non-ciblées sur ces instruments, une approche qui est maintenant qualifiée de pétroléomique.2 En effet, ces

instruments rendent possible la mesure simultanée, avec une haute précision, d’un grand nombre d’ions de rapport m/z différents. Il est alors envisageable d’étudier un échantillon « brut » en limitant les étapes de préparation, représentant un risque d’altération de son intégrité. On obtient ainsi une « empreinte moléculaire » partielle mais détaillée d’un échantillon. Après avoir donné le principe de fonctionnement de

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la FT-ICR MS, je détaillerai quelques représentations en cartes moléculaires qui permettent, à partir d’un spectre de masse de très haute résolution, de traduire les informations spectrales.

Principe du spectromètre de masse à résonance cyclotronique d’ions et à transformée de Fourier

Le principe de fonctionnement d’un spectromètre de masse à résonance cyclotronique d’ions et à transformée de Fourier (FT-ICR MS) repose sur la propriété qu’a un ion, se déplaçant dans un champ magnétique uniforme B0, à adopter une trajectoire circulaire et uniforme3.

Ce mouvement est appelé mouvement cyclotron dont la pulsation c pour un ion de masse m et de charge

q=z.e plongé dans un champ magnétique B0 est donnée par l’équation suivante :

𝜔𝑐 = 𝑞 × 𝐵0

𝑚 =

𝑒 × 𝐵0 (𝑚𝑧)

Ce mouvement confine l’ion dans un plan perpendiculaire à l’axe du champ magnétique B0. Afin de réaliser

une mesure à l’aide de ce spectromètre de masse, il est nécessaire que les ions soient piégés dans les trois dimensions de l’espace. Pour contraindre les ions dans la troisième dimension (celle correspondant à l’axe du champ magnétique), un puit de potentiel est généré en appliquant sur deux plaques, dites de piégeages, perpendiculaires à B0, un potentiel de l’ordre du volt. Le mouvement des ions peut de manière simple être

considéré comme la combinaison d’un mouvement de rotation autour de l’axe du champ magnétique (mouvement cyclotron) et d’un mouvement oscillant au centre du puit de potentiel (oscillation de piégeage). La fréquence de giration, dépendant de la valeur de B0, est comprise entre quelques dizaines de kHz et

quelques MHz pour des ions possédant des rapports m/z compris entre 150 et 2500 dans un champ magnétique de 9,4 T.

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Ces deux plaques de piégeage constituent les extrémités de la cellule FT-ICR, également appelée piège de Penning (de forme cylindrique sur les instruments actuels, il est bon de préciser que d’autres géométries de cellules ont été développées4–6). C’est au sein de ce piège que la mesure du rapport m/z des ions est réalisée

(Figure 1). Celle-ci se réalise en deux temps. L’énergie cinétique des ions est augmentée par résonance entre leur mouvement de giration et un champ radiofréquence appliqué sur 2 plaques opposées de la cellule (excitation dipolaire). Celui-ci est constitué de la superposition de fréquences comprises entre quelques kHz et quelques MHz. Cet accroissement d’énergie cinétique conduit à une augmentation du rayon de la trajectoire des ions qui sont initialement au centre de la cellule. Cette étape d’excitation a également pour effet d’augmenter la cohérence du mouvement des ions de même rapport m/z. Après l’arrêt de l’excitation par radiofréquence, le mouvement des ions se stabilise sur une orbite haute, proche des plaques qui constituent la cellule FT-ICR. Leur mouvement étant cohérent et donc en phase, les ions de rapport m/z donnés induisent lorsqu’ils passent à proximité des plaques de détection (classiquement 2 plaques opposées de la cellule), un courant alternatif image de fréquence égale à la fréquence de leur mouvement de giration.3

Le signal mesuré est un interférogramme correspondant à la combinaison des fréquences de giration de tous les ions présents dans la cellule quel que soit leur rapport m/z (Figure 1). Ce signal décroit exponentiellement avec le temps du fait d’une perte de la cohérence du mouvement cyclotronique au travers de processus collisionnels et/ou d’interactions électrostatiques. L’application de la transformée de Fourier permet le passage du domaine du temps à celui des fréquences, puis à celui des rapports m/z par calibration (approchant l’équation f=(eB0)/(2π m/z)). La présence simultanée d’un champ électrique et d’un champ

magnétique ne permet cependant pas d’obtenir de manière aussi simple le rapport m/z. En effet, ces deux champs combinent leurs effets pour donner naissance à un mouvement appelé magnétron. On pourra se reporter aux équations exactes de ces mouvements décrites dans différents articles de mise au point précédemment cités.5–7

La stabilité des champs magnétiques élevés (aimants supraconducteurs de quelques Teslas) et l’ultra-vide atteint dans la zone de mesure (environ 10-10 mbar) permettent de mesurer le signal sur un temps

suffisamment long (plusieurs secondes) pour atteindre des pouvoirs de résolution en masse de plusieurs millions et des mesures de masse d’une précision inférieure au ppm (avec un nombre de points d’échantillonnage du signal allant jusqu’à 16M). Ces performances font du spectromètre FT-ICR MS une référence de mesure de masse d’atomes et molécules.

Transfert source d’ionisation – Cellule

Outre sa capacité à être utilisé comme un réacteur d’étude des ions piégés pendant plusieurs secondes, ce spectromètre de masse possède des interfaces permettant le couplage de différentes sources d’ionisation, qui, nous allons le voir, est un avantage considérable dans le cadre d’une approche de type pétroléomique. Il intègre nécessairement des éléments de transfert des ions de la source d’ionisation (externe), qui peut être à pression atmosphérique (ESI, APPI,…), vers la cellule d’analyse qui est placée dans un vide poussé. De plus, le spectromètre fonctionnant de manière séquentielle, les ions générés par des sources continues ou discontinues doivent être stockés sur un temps donné avant d’être introduits dans la cellule ICR.

La plupart des instruments sont alors assez volumineux. A l’encombrement de l’aimant supraconducteur, il faut ajouter la disposition des sources hors des lignes du champ magnétique. Plus précisément, une succession de lentilles et multipoles (hexapoles, « ion funnels », quadrupole) conduisent les ions à travers des zones de pompage différentiel jusqu’à un hexapole dans lequel les ions sont piégés (puit de potentiel de quelques volts, balayé par un gaz de thermalisation tel que l’argon). Après un temps déterminé (de quelques ms à quelques s), une vanne isolant la zone d’ultra-vide s’ouvre et les ions stockés sont accélérés et parcourent une ligne de transfert (hexapole d’une longueur l’ordre du mètre) avant d’arriver dans la cellule ICR, située au centre de l’aimant et dans le vide poussé (10-10 mbar).

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Ce transfert des ions est particulièrement influant sur l’étude d’échantillons complexes. Au cours de ce processus, la perte ou l’enrichissement en certains ions est susceptible de se produire. Premièrement, les ions qui atteignent la cellule ICR doivent rester stables pendant au moins plusieurs dizaines de millisecondes. Deuxièmement, chaque élément guidant ou stockant les ions possède, en fonction des valeurs consignes qui leurs sont appliquées (potentiels, fréquence), une capacité de transfert variable pour une gamme de masse considérée. Et enfin, le temps de transfert des ions entre l’hexapole de stockage et l’entrée dans la cellule ICR (« temps de vol ») contraint l’étude sur une gamme de m/z restreinte. Finalement, l’interprétation d’un résultat doit prendre en compte l’influence de ces différentes étapes subies par les ions depuis la source jusqu’à la cellule d’analyse.

Spectromètres FT-ICR MS du laboratoire

Le laboratoire a été un des premiers laboratoires français à s’équiper d’un spectromètre de masse de ce type en 1984. A partir des années 80, un prototype à 3T de la marque Nicolet a été développé pour y permettre le couplage d’une microsonde laser. Puis en 2005, un appareil FTICRMS IonSpec (Varian) à 9,4T a été installé. Outre des performances améliorées, il a offert la possibilité d’utiliser différentes sources d’ionisation notamment celles à pression atmosphériques. En 2019, le projet Resex soutenu par l’Europe, la Région Grand-Est, le département de la Moselle et Metz Metropole a permis l’installation du premier FT-ICR MS à 7T équipé à la fois d’une cellule harmonisée et de la technologie 2XR (permettant de doubler la vitesse d’analyse à résolution équivalente).

Quelques caractéristiques de ces trois instruments sont précisées dans le Tableau 7.

Tableau 7 Caractéristiques des différents spectromètres FT-ICR du laboratoire entre 1984 et 2020

La plupart les travaux présentés ici ont été réalisés à l’aide du spectromètre FT-ICR MS IonSpec de 9,4 T. Particularités du couplage laser

L’utilisation standard du laser en spectrométrie de masse consiste à générer des ions à partir de l’irradiation par une impulsion laser de la surface d’un échantillon. Deux régimes peuvent être considérés en fonction de la fluence laser (énergie par unité de surface en J.cm-2) ou de la densité de puissance laser également

nommée irradiance (W.cm-2). À une faible fluence laser, la désorption / ionisation laser (LDI) peut avoir lieu.

Lorsque la fluence laser augmente, le régime d'interaction laser-matière est modifié et conduit à l'ablation. Dans les deux cas, le phénomène d'ionisation et le transfert des atomes ou des molécules à la phase gazeuse sont directement le résultat de l'interaction laser-matière. LDI et LA sont bien adaptés à l'analyse d'une large gamme de composés organiques, inorganiques et aussi biologiques. Pour matrices complexes, des informations peuvent être obtenues à la fois sur les espèces organiques et inorganiques.

Présenté de cette manière, l’utilisation d’un laser parait simple et adaptée à l’étude d’échantillons solides même placés sous vide, l’impulsion laser pouvant être guidée par des systèmes optiques. Cependant, de

Marque Nicolet IonSpec (Varian) Bruker

Champ Magnétique 3T 9,4T 7T

Cellule double cellule cubique cellule cylindrique ouverte cellule cylindrique harmonisée Excitation SWIFT SWIFT/SWEEP SWEEP

Sources d'ionisation interne :

microsonde laser / EI

externe (2 modules) : MALDI - EI (10-7mbar) / ESI

externe :

MALDI (5 mbar) / ESI/ APCI / APPI / DART

Laser Nd:YAG (3w, 4w), colorant, excimer Nd:YAG (3w, 4w, 5w) Nd:YAG (3w) (4w et 5w en prévision) Mode de

fragmentation CID SORI, CID, ECD, IRMPD

Collision Cell, ECD, SORI (IRMPD en prévision)

Transfert des ions conductance limite (entre 2 cellules) cones + hexapole + quadrupole + hexapole de stockage + hexapole

capillaire + ion funnels + quadrupole + hexapole de stockage + hexapole Fréquences (kHz)

m/z =100-5000 325 - 6,5 (w) 1000 -20 (w)

750 - 15 (w) 1500 - 30 (2w)

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nombreux facteurs vont influer sur la possibilité de générer des ions et sur leur nature. Le laboratoire travaille depuis plus de 30 ans sur le développement de nouvelles applications associant la spectrométrie de masse et les lasers, et sur la compréhension des mécanismes associés permettant la formation des ions.8–11

Comme nous l’avons précisé dans une revue publiée récemment,12 la combinaison d’une source laser avec

la FT-ICR MS démultiplie les performances de ce couplage. La majorité de la zone irradiée d’un mélange complexe pouvant conduire à un grand nombre d’ions de masses différentes, la haute résolution et précision en masse apportent la confiance nécessaire à l’attribution. La polyvalence des sources laser en termes d'énergie et de longueurs d'onde assure un contrôle fin des processus intervenant lors des interactions laser – matière. De nombreuses applications sont alors accessibles, notamment par l’utilisation de diverses matrices (MALDI). De plus, le fonctionnement en mode microsonde laser permet de ne détecter que les ions issus de l’irradiation laser d’une zone restreinte et localisée d’un échantillon. L’exploration des potentialités du couplage laser – MS est un axe de recherche toujours actif au laboratoire.

Traitement et exploitation des données MS

L’obtention d’un spectre de masse présentant des milliers de pics de masse n’est pas une fin en soi et différentes étapes sont nécessaires pour accéder à l’information qu’il contient. Le but est alors de permettre la détermination de la composition élémentaire associée à tous les signaux mesurés.

Dans un premier temps, une étape de calibration interne doit être menée pour permettre d’obtenir la précision en masse la plus élevée possible sur toute la gamme de masse. L’idée ici est d’obtenir une attribution d’une formule brute pour chaque pic de masse avec une confiance élevée, la calibration externe restant discutable. En effet, le nombre de combinaisons d’atomes correspondant à une masse mesurée peut devenir extrêmement élevé si la précision de la mesure reste faible. Un exemple de l’étendue de ce nombre en fonction de l’erreur tolérée est donné dans le Tableau 8 lors de la recherche de formules répondant à m/z = 527,15826 en limitant la recherche aux éléments C0-100H0-100N0-100O0-100S0-100Na1+ et aux combinaisons

qui respectent les « sept règles d’or ».13 En prenant en compte une précision de mesure qui varie entre 8

ppm et 0,1 ppm, 235 propositions sont réduites à 3 propositions. C’est donc une nécessiter de travailler à très haute précision de mesure de masse. Cependant, cet exemple indique clairement que ce n’est pas suffisant, il reste encore trois propositions et tous les éléments n’ont pas été recherchés. D’autres stratégies peuvent alors être adoptées, elles seront décrites dans les paragraphes suivants.

Tableau 8 : Nombre de formules CHNOSNa proposées en fonction de l’erreur de mesure de masse tolérée (en ppm) Erreur (ppm) #Formules 0.1 3 0.5 13 1 27 2 53 3 81 4 111 5 144 6 175 7 204 8 235

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Concernant la calibration, la plupart des articles ne le précise que rarement mais différentes approches peuvent être mises en œuvre.14 Idéalement, la fréquence mesurée est inversement proportionnelle à la

masse. L’équation de calibration serait : m/z=A/(f) avec A une constante de calibration qui associe la fréquence de mesure f au rapport m/z d’un ion.

Cependant, pour tenir compte de l’influence du champ de piégeage et des charges d’espace, un deuxième terme est pris en compte : m/z=A/f + B/f2. Cette formule est la plus couramment utilisée mais peut présenter

des distortions liées à des populations d’ions très différentes, les charges d’espace étant considérées comme globales.

Dans ce cas, pour tenir compte du déplacement des fréquences observées en fonction de la quantité d’ions, un troisième terme dépendant de l’intensité mesurée pour chaque ion peut être ajouté :

(m/z)i = A/f + B/f2 + C*Ii/f2 avec Ii l’intensité de l’ion à (m/z)i15

Dans le cas des analyses type « pétroléomiques », la calibration interne s’effectue sur des séries d’ions qui ne diffèrent que par le nombre de groupements méthylènes (CH2) sur toute la gamme de masse étudiée

et/ou des familles de composés générant des pics de masse bien identifiable sur le spectre (ex : acides gras en mode négatif). Typiquement, les erreurs sur la calibration d’un spectre se distribuent comme cela est reporté sur la Figure 2.

Figure 2 : Distribution des erreurs de mesures de masse après recalibration interne d’un spectre (+)APPI FT-ICR MS d’une bio-huile16

La présence d’hétéroatomes et d’insaturations a un effet sur la masse d’un ion et plus finement sur son défaut de masse qui peut être décrit de manière simple comme la différence entre la masse exacte et la masse nominale. Il peut être particulièrement intéressant de suivre ce paramètre dans le contexte d’analyses non-ciblées. Le schéma présenté sur la Figure 3 indique les défauts de masse exprimés en mDa de quelques nucléides. Ces différences vont dans le cas de mesures de très haute résolution et de très grande précision de masse permettre d’aider à l’attribution du plus grand nombre de signaux.

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 50 150 250 350 450 550 650 750 mass e rr o r (p p m) m/z

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