Projet ANR-11-PDOC-0032 – PONAME : Développement d’un Nouvel Outil de Nanométrologie Polyscopique Couplant Spectrométrie de Masse et Spectroscopie Laser
Programme : Retour Post-Doctorants (RPDOC)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Tristan DOUSSINEAU (Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire)
Partenaires : Institut Lumière Matière
Montant : 227760.0 euros
Durée : 24 mois
Résumé : Nouveau Spectromètre de Masse pour le NanomondeDéveloppement d’un Nouvel Outil de Nanométrologie Polyscopique Couplant Spectrométrie de Masse et Spectroscopie Laser
Context et Objectif du ProjetLes nanomatériaux, nanoparticules et autres nano-objets fonctionnalisés sont très prometteurs pour des domaines comme la médecine ou les matériaux et les retombées économiques sont potentiellement énormes. Cependant, il n'existe pas de méthode unique qui peut être considérée comme complète et satisfaisante, chaque méthode ne fournissant qu'une caractérisation partielle et parfois biaisée de l'échantillon. Dans ce contexte, l'élaboration d'un nouvel instrument de nanométrologie qui offrirait une souplesse quant à la nature de l'échantillon, une robustesse, une précision, une fiabilité d'analyse, qui autoriserait la mesure de plusieurs paramètres, qui serait rapide et peu coûteux, apparaît pertinent. Le projet PONAME vise à développer un tel outil analytique en couplant la spectrométrie de masse à détection de charge et la spectroscopie laser pour permettre une nanométrologie dite polyscopique.
Approche ExpérimentaleLes objectifs opérationnels de ce projet sont:i) Le développement d'expériences uniques combinant le suivi des ions et des mesures de fluorescence.• Développement d'un dispositif de spectrométrie de masse à détection de charge avec une approche de mesure d'ion unique. Cela permettra de déterminer de manière très fiable et précise des distributions de masse et de charge d'échantillons polydisperses de différentes natures et compositions.• La photo-dissociation induite par laser de macroions uniques piégés en phase gaz. Cette approche peut donner un aperçu de la structure des différents ions constitutifs d'un échantillon en fonction à leur masse, leur charge ainsi que de longueur d'onde d'incidence du faisceau laser.• Fluorescence en phase gazeuse d'ions uniques piégés issus nanosystèmes hybrides préparés sur-mesure. les propriétés optiques intrinsèques de chaque ion piégé seront mesurées permettant la rationalisation de ces effetsen fonction de la taille et la forme du coeur de ce nanohybride, de la nature du ligand et du chromophore.ii) La synthèse sur-mesure de nanosystèmes hybrides• Non seulement la taille et la nature des nanoparticules seront à modifiées mais aussi la taille et la nature de la partie organique (colorants, biomolécules, agents de couplage, etc).• La nature de la liaison entre la couronne organique et le coeur métallique sera étudiée.
Résumé de la soumission : Les nanomatériaux, nanoparticules et autres constructions fonctionnelles à l'échelle nanométrique (CFNs) sont autant d’outils prometteurs dans les domaines médical, technologique et économique. Cependant, les connaissances sur la toxicité et l'impact environnemental des CFNs sont limitées. Avant toute étude approfondie à la nanobiointerface, une caractérisation physico-chimique exhaustive des CFNs est de haute importance puisque ces caractéristiques peuvent être corrélés à leurs réponses biologiques et toxicologiques. Il existe une grande variété d'outils analytiques afin d'étudier la nanométrologie des CFNs, mais, individuellement, aucune méthode ne peut être considérée comme complète et satisfaisante. Dans ce contexte, les exigences pour l'élaboration d'un nouvel instrument de nanométrologie incluent flexibilité, robustesse, précision et fiabilité, mesurabilité multi-paramètres, une mesure rapide et un faible coût. Le projet PONAME vise à développer un nouvel outil analytique couplant spectrométrie de masse et spectroscopie laser pour une nanométrologie polyscopique. L'instrument peut être décrit selon trois unités d'analyse comme suit :i) la spectrométrie de masse à détection de charge (CD-MS) permettra, dans une approche à ion unique, la détermination non-ambigüe de la distribution en masse/taille. En outre, l'étude de la relation de masse/charge dans ces objets de masse molaire supérieure à 1 mégadalton (CFN, (bio)macromolécule) sera d'intérêt dans un point de vue fondamental par corrélation entre la charge maximale à une masse donnée et la limite de Rayleigh.ii) la photo-dissociation induite par laser sur un ion unique isolé sera entreprise. Cette expérience unique devrait fournir des informations pertinentes sur les propriétés de structure, de morphologie ou de surface du macroion isolé sélectionné en masse et en charge.iii) la spectroscopie de fluorescence en phase gazeuse sur un macroion unique isolé sera également effectuée. Nous pourrons ainsi déterminer les propriétés optiques intrinsèques d'un objet mégadalton relativement à sa taille/masse, sa charge, et sa structure. Une telle analyse fine pourrait répondre de façon non-ambigüe aux relations structure/propriétés optiques dans les nanosystèmes hybrides du type cœur métallique modifié en surface avec un chromophore, où des résultats partiellement contradictoires ont pu être décrits dans la littérature allant de l'extinction complète jusqu’à une augmentation spectaculaire de la fluorescence.Le projet PONAME apparaît particulièrement ambitieux et pertinent dans le contexte actuel de la nanotechnologie. L'instrument développé devrait être très robuste et flexible quant à la nature et la composition des objets analysés.
Résultats : La spectrométrie de masse à détection de charge comme nouvel outil analytique permettant la détermination de la distribution en masse de nano-objets a suscité un vif intérêt dans la communauté scientifique donnant naissance à de nombreuses collaborations au niveau national et international :
a.	Prof. B. Charleux, Université Lyon 1, nano-objets de polymères
b.	Prof. O. Tillement, Université Lyon 1, silice nanométrique multifonctionnalisée.
c.	Dr. E. Ishow, Université de Nantes, nanohybrides pour applications en biologie et sciences des matériaux.
d.	Prof. S.P. Armes, Université de Sheffield (GB), nano-objets de polymères.
e.	Prof D. Maysinger, McGill Université (Canada), nanohybrides à base de nanoparticules métalliques pour des applications médicales.
f.	Dr. C. Bordes, Université Lyon 1, nanolatex pour applications en cosméto-textile.
g.	Dr. V. Forge, CEA Grenoble, agrégats de protéines fibrillaires.
h.	Dr. C. Vendrely, Université Cergy-Pontoise, agrégats biomoléculaires.
Ce spectre large de collaborations (physico-chimistes, chimistes, biologistes) met clairement en évidence la souplesse de l’outil analytique développé vis-à-vis de la nature chimique intrinsèque des nano-objets (chaînes linéaires de polymères auto-assemblées, nanohybrides bioconjugués à cœur métallique, agrégats biomoléculaires, etc).
Le piège linéaire électrostatique à ion unique a été implémenté et des mesures de dissociation induite par laser ont été menées sur des polymères synthétiques (poly(oxyde d'éthylène) linéaires)) et des biopolymères (ADN). Cette expérience unique au monde a permis pour la première fois de déterminer des énergies de dissociation unimoléculaire.
Perspectives : nd
Publications et brevets : T. Doussineau, M. Santacreu, R. Antoine, P. Dugourd, W. Zhang, I. Chaduc, M. Lansalot, F. D’Agosto, B. Charleux, The Charging of Micellar Nanoparticles in Electrospray Ionization, ChemPhysChem, accepté.
T. Doussineau, R. Antoine, M. Santacreu, P. Dugourd, Pushing the Limit of Infrared Multiphoton Dissociation to Megadalton-Size DNA Ions, J. Phys. Chem Lett. 2012, 3 (16), 2141-2145.
T. Doussineau, C.-Y. Bao, R. Antoine, P. Dugourd, W.-J. Zhang, F. D’Agosto, B. Charleux, Direct Molar Mass Determination of Self-Assembled Amphiphilic Block Copolymer Nanoobjects Using Electrospray-Charge Detection Mass Spectrometry, ACS Macro Lett. 2012, 1 (3), 414-417.
T. Doussineau, C.-Y. Bao, C. Clavier, X. Dagany, M. Kerleroux, R. Antoine, P. Dugourd, Infrared Multiphoton Dissociation Tandem Charge Detection-Mass Spectrometry of Single Megadalton Electrosprayed Ions, Rev. Sci. Instrum. 2011, 82, 084104.
T. Doussineau, M. Kerleroux, X. Dagany, C. Clavier, M. Barbaire, J. Maurelli, R. Antoine, P. Dugourd, Charging Megadalton Poly(ethylene oxide)s by Electrospray Ionization. A Charge Detection Mass Spectrometry Study, Rapid Commun. Mass Spectrom. 2011, 25 (5), 617-623.