Structures et réactivité des radicaux peroxyles et des dimères révélées par la spectrométrie de masse en ligne

La structure chimique des molécules donnant naissance aux particules ultrafines enfin dévoilée par une équipe d’Ircelyon. Par l’emploi de technique de spectrométrie de masse avancée, Tomaz et al. ont pour la première fois identifié en temps réel la structure des composés impliqués dans la formation d’embryons moléculaires représentant l’étape initiale de la formation des aérosols et in fine des nuages

Les composés organiques volatils (COV) réagissent avec les oxydants atmosphériques et forment des composés de moindre volatilité. Ces espèces peuvent notamment condenser et / ou nucléer formant ainsi des aérosols organiques qui peuvent in fine former les nuages. Jusqu’à récemment, un écart important entre la formation d’aérosol observée dans l’atmosphère et celle prédite par les modèles de simulation atmosphérique subsistait. Celui-ci a été en partie comblé via la découverte d’une nouvelle classe de produits d’oxydation, nommée molécules organiques hautement oxygénées (HOM). En raison de leur pression de vapeur saturante (extrêmement) faible, les HOM ont été identifiés comme espèce centrale dans la formation et la croissance des particules atmosphériques. Les HOM résultent de l’auto-oxydation des radicaux peroxyles (RO₂) formés lors de l’oxydation des COV. Alors que de récents travaux ont suggéré la très grande réactivité des RO₂ formés lors des processus d’auto-oxydation, les mécanismes de formation ainsi que les structures de ces espèces clés restent insaisissables.

Pour résoudre cela, nous avons réalisé des expériences en laboratoire en utilisant la source d’ionisation chimique (CI) récemment développée à Ircelyon et couplée à un système Q Exactive Orbitrap-MS. Ainsi, nous avons pu étudier la composition moléculaire et la structure des RO₂ hautement oxygénés ainsi que leurs principaux produits d’oxydation. Cette nouvelle technique combine une résolution en masse importante (c’est-à-dire 140 000 à m/Q 200 Th), une résolution temporelle élevée (quelques secondes) et la possibilité de faire des analyses par spectrométrie de masse en tandem (MS²). En utilisant cette technique unique, les radicaux et les HOM ont été quantifiés afin d’évaluer leur réactivité ainsi que leurs rendements de formation. Enfin, une étude détaillée sur la structure de ces espèces a été réalisée en variant notamment les énergies de fragmentation. Ainsi nous avons pu contraindre les structures et les voies de formation de plusieurs radicaux et dimères formés lors de l’ozonolyse de monoterpènes, des processus oxydatifs importants dans l’atmosphère. En plus de fournir des informations sur la chimie des HOM, cette étude présente les avantages de la spectrométrie de masse en tandem en ligne et révèle que cette nouvelle approche est idéale pour caractériser des composés réactifs, comme par exemple les radicaux organiques.