Collision induced dissociation of polycyclic aromatic hydrocarbons in a quadrupolar ion trap : Differentiation of isomeric structures in cosmic dust components
Dissociation induite par collisions d'hydrocarbures aromatiques polycycliques dans un piège à ions quadripolaire : Séparation des structures isomériques des composantes de la poussière cosmique
Résumé
Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are large carbonaceous molecules that are the subject of investigation in various fields from astrochemistry to environmental science. Being a major constituent of cosmic dust, they play a key role in regions of star formation, where their infrared emission is excited by ultraviolet photons. However, the mechanisms involved in their formation remain poorly understood. In simulation experiments in the laboratory as in meteorites, the mass m/z = 202.08 corresponding to the species C_16H_10, has been identified as a key species in the growth of these PAHs. This chemical formula includes several isomeric structures that need to be differentiated. We used the AROMA molecular analyzer to study the differentiation of C_16H_10 isomers by collision-induced dissociation (CID), in the case of fluoranthene and pyrene (two compact structures) and that of9-ethynylphenanthrene (structure with an alkyl group). The various experimental parameters control-ling the CID were explored in order to determine optimized conditions for our experimental conditions. At low collision energy, we have shown that the criterion of 50 % dissociation of parent ions can be used to differentiate condensed from non-condensed structures but is more difficult to differentiate between condensed structures. The procedure has been applied to individual species, their mixtures, and more complex samples of meteorite (Allende) and laboratory analogues of cosmic dust (dusty plasma). We have modeled the dynamics of the ions in the trap and extracted frequency and energy distributions of collisions. The competition with the dissociation rate was treated by Monte Carlo method. The model fit of the pyrene dissociation curve quantified the parameter êta of transfer of kinetic energy into internal energy. The fluoranthene dissociation curve could be modeled using the same values for êta. Finally, we were able to determine the dissociation rate of 9-ethynylphenanthrene, which is not yet known.
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des molécules carbonées de grande taille dont l'étude intéresse différents champs disciplinaires qui vont de l'environnement à l'astrochimie. Constituant majeur de la poussière cosmique, elles jouent un rôle clé dans les régions de formation stellaire, où leur émission infrarouge est excitée par les photons ultraviolets. Les mécanismes impliqués dans leur formation restent néanmoins mal connus. Dans les expériences de simulation en laboratoire comme dans les météorites, la masse m/z = 202.08 correspondant à l'espèce C_16H_10, a été identifiée comme une espèce clé dans la croissance de ces HAP. Cette espèce comprend plusieurs structures isomériques qu'il est important de pouvoir différencier. Nous avons utilisé l'analyseur moléculaire AROMA pour étudier la différentiation des isomères de C_16H_10 par dissociation induite par collisions (CID), dans le cas du fluoranthène et du pyrène (structures compactes) et celui du 9-éthynylphenanthrène (structure avec un groupe alkyl). Les différents paramètres contrôlant la CID ont été explorés afin de déterminer des conditions optimisées pour notre dispositif expérimental. A basse énergie de collision, nous avons montré que le critère de 50 % de dissociation des ions parents peut être utilisé pour différencier les structures condensées des non condensées et plus difficilement pour différencier les structures condensées entre elles. La procédure a été appliquée sur des espèces individuelles, leurs mélanges et des échantillons plus complexes de météorite (Allende) et d'analogues en laboratoire de poussière cosmique (plasma poussiéreux). Nous avons modélisé la dynamique des ions dans le piège et extrait des distributions de fréquence et d'énergie de collisions. La compétition avec le taux de dissociation a été traitée par méthode Monte Carlo. L'ajustement par le modèle de la courbe de dissociation du pyrène a permis de quantifier le paramètre de transfert d'énergie cinétique en énergie interne. La courbe de dissociation du fluoranthène a pu être modélisée en utilisant les mêmes valeurs pour êta. Enfin nous avons pu déterminer le taux de dissociation du 9-éthynylphenanthrène, qui n'est pas connu à ce jour.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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