MARS ORGANIC MOLECULE ANALYSER GC 

L'INSTRUMENT MOMA-GC  

MOMA-GC dans la suite instrumentale MOMA

MOMA-GC est l'un des trois instruments qui constituent l'expérience MOMA, les deux autres étant le spectromètre de masse de type trappe d'ion (ITMS)  développé par le NASA/GSFC et le laser à désorption (LD) développé par l'entreprise LZH. Ces trois instruments sont intégrés dans une structure incluant l'échantillonneur de l'expérience, constitué de 21 fours.

Objectifs scientifiques et analytiques de MOMA-GC

      L'objectif de MOMA-GC est principalement l'analyse et l'identification des molécules organiques et inorganiques issues du traitement des échantillons de sol prélevés par le rover Exomars. Deux types de traitement seront appliqués aux échantillons, à savoir un chauffage progressif depuis la température ambiante (~0°C) jusqu'à environ 1100°C, et un traitement chimique qui doit permettre à des molécules organiques importantes mais non volatiles, de pouvoir être vaporisées et analysées par l'expérience MOMA. Dans les deux cas, il est fort probable que plusieurs espèces gazeuses soient relâchées par l'échantillon. Si ces espèces sont nombreuses, leur injection directe dans le spectromètre de masse ne permettrait pas de les identifier individuellement car leurs signatures spectrales se recouvriraient, rendant le traitement du spectre très difficile. L'utilisation en amont du chromatographe en phase gazeuse (GC) permet de séparer les composés présents dans le mélange gazeux et de les injecter individuellement (dans le cas idéal) dans le spectromètre de masse (ITMS). Ainsi le traitement des spectres de masse et l'identification des molécules est possible et fortement facilitée. Le chromatographe doit également permettre, dans une certaine mesure, l'identification des espèces analysées. En effet, le temps que mettent les espèces analysées à traverser le système GC est caractéristique de l'espèce analysée et des conditions d'analyse. Ce temps, appelé temps de rétention, permet donc d'identifier de manière indirecte les composés analysés. L'analyse simultanée avec le spectromètre de masse permettra donc d'obtenir deux informations qui seront croisées afin d'identifier les composés, ce qui sécurisera leur identification.

Exemple d'un chromatogramme de molécules organiques. La séparation est matérialisée dans le temps qui correspond au temps passé par l'espèce chimique dans le chromatographe.

Exemple de séparation des énantiomères de différents acides aminés par chromatographie en phase gazeuse. Les énantiomères d'une espèce chimique sont dénommées L ou D en fonction de la géométrie de la molécule.

    Le chromatographe permet également l'analyse des énantiomères, ce que ne peut pas faire l'ITMS tout seul. En effet, des énantiomères sont des molécules dissymétriques identiques en composition et en structure chimique, mais qui sont l'image l'une de l'autre au travers d'un miroir. Cette différence n'est pas détectable avec un ITMS et actuellement, seules des méthodes de séparation (comme la chromatographie) ou des méthodes optiques permettent de la mettre en évidence. La quantification du rapport de la quantité des deux énantiomères d'une molécule est aujourd'hui très importante du point de vue de l'exo/astrobiologie, puisque les molécules qui constituent le code génétique du vivant (tel que nous le connaissons) sont des molécules homochirales, c'est à dire qu'une seule des 2 formes énantiomériques est utilisée. Les acides aminés, par exemple, sont utilisés sous la forme dite "L" alors que les sucres sont utilisés sous la forme dite "D". L'origine de cette homochiralité est aujourd'hui inconnue mais on sait qu'elle est uniquement liée au vivant. Par conséquent, la détermination du rapport énantiomérique des molécules organiques présentes à la surface de Mars pourrait être un moyen soit de mettre en évidence une activité biologique ou prébiotique, soit de mettre en évidence des mécanismes physico-chimiques qui pourraient être à l'origine de l'homochiralité du vivant sur Terre.
       Pour finir, MOMA-GC aura également pour objectif secondaire de procéder à l'analyse et la séparation des espèces atmosphériques, afin de remonter aux propriétés de l'atmosphère et également obtenir des informations sur l'histoire de Mars et de son atmosphère.

        La colonne est le lieu de la séparation des espèces chimiques analysées. La paroi interne des tubes est recouverte d'une substance active qui possède une affinité spécifique à chaque espèce chimique. Cette substance peut être soit un adsorbant (un solide qui interagit avec les espèces en créant des liaisons de Van der Waals. Plus une espèce a d'affinité avec l'adsorbant et plus elle passe de temps dans la colonne) soit une résine (une substance visqueuse dans laquelle les espèces chimiques peuvent se dissoudre. Dans ce cas, il existe un échange entre la phase gazeuse et la phase "dissoute" pour chaque espèce chimique analysée. Une espèce qui a une forte affinité avec la gomme passera plus de temps sous forme dissoute. Sous cette forme, les espèces progressent plus lentement le long du tube que sous forme gazeuse. Les espèces ayant une plus grande affinité seront donc celles qui passeront le plus de temps dans la colonne). Les adsorbants sont plutôt dédiés à la séparation des très petites molécules (e.g. N2, CO, CH4...) alors que les gommes sont plutôt dédiées à séparer les molécules organiques, ce qui inclut les énantiomères.

Photo d'une colonne chromatographique métallique. La colonne est longue d'environ 20 m et son diamètre mesure approximativement 0,25 mm. Sur l'incrustation en haut à gauche, on voit une photo prise par microscopie électronique à balayage de la sortie d'une colonne. On distingue sur le bord intérieur du tube la phase stationnaires déposée (ici, un adsorbant).

Photo d'une colonne chromatographique de MOMA-GC. On peut observer le cylindre dans lequel la colonne est confinée, avec collés par dessus les chauffants qui permettent de chauffer la colonne jusqu'à 200°C.

     Les 4 voies analytiques sont équipées d'un détecteur à conductibilité thermique (TCD) qui mesure la différence de capacité des gaz qui sortent de la colonne à conduire la chaleur, comparativement au gaz vecteur. Le gaz vecteur est un gaz inerte (ici l'hélium) qui est injecté dans la colonne chromatographique à vitesse constante et qui entraine avec lui l'échantillon gazeux. Lorsqu'un composé sort de la colonne, il est mélangé au gaz vecteur, ce qui modifie la conductibilité de la chaleur du gaz, et c'est cette variation qui est détectée. Ce détecteur simple, petit et robuste permet de détecter des espèces présentes dans le gaz vecteur à des concentrations comprises entre quelques parties par million (ppm) à quelques pourcents. Ces détecteurs ne sont pas destructifs ce qui permet d'envoyer les gaz issus de la voie analytique vers le spectromètre de masse pour une seconde analyse des composés.

Schéma d'un module analytique  de MOMA-GC. Une module analytique est composé d'une détecteur TCD (à droite) et d'une colonne chromatographique (cercle central). Un connecteur (à gauche) permet de relier le module à l'électronique de l'instrument.

Photo d'un détecteur de MOMA-GC (TCD). On peut voir (en haut et en bas) les tubes dans lesquels le gaz circule. A droite se trouvent les fils électriques qui permettent d'alimenter le TCD en courant, et d'acquérir le signal. Sur le dessus du TCD (flèche rouge) est placé un capteur de température.

    La qualité de la séparation dépend fortement de la qualité de l'injection du mélange gazeux dans la colonne. Si l'injection est faite dans des mauvaises conditions, les pics chromatographiques auront tendance à se recouvrir, ce qui ne permettra pas leur séparation. Pour s'assurer d'une bonne qualité d'injection, 2 systèmes ont été prévus en amont, appelés pièges d'injection. Ces pièges sont des tubes d'un diamètre de l'ordre du millimètre remplis de poudre d'adsorbant. A température ambiante, cette poudre capte les molécules qui traversent le piège et les retiennent piégées. En chauffant rapidement le piège, la poudre relâche très rapidement les espèces piégées et l'injection dans la colonne se fait sur un laps de temps très court, synonyme de bonne qualité d'injection. Ceci permet également d'augmenter la sensibilité de la détection.

    Afin de diriger le flux d'hélium et les composés à analyser vers les différents sous-systèmes, un jeu de 30 micro-vannes est utilisé. Ces vannes, lourdes de 2 grammes, permettent le cheminement des composés, sans aucune altération, vers le piège et le module analytique de notre choix, ou même de transférer les composés directement au spectromètre de masse sans passer par l'analyse dans MOMA-GC. L'activation des vannes est électrique à l'aide de 2 petits contacts.

Schéma des pièges de MOMA-GC. Au centre (en mauve) se trouvent les 4 entrées/sorties des 2 pièges. Plus bas (en orange) sont situés les 2 chanffants qui vont permettent de chauffer les pièges très rapidement à très haute température.

Schéma de la plaque de vannes de MOMA-GC. 30 vannes sont fixées à l'aide de 2 vis sur une plaque où toutes les connexions fluidiques sont intégrées sous forme de micro-canaux.

    Toute l'électronique de MOMA-GC est développée par le MPS sous forme de 4 cartes électroniques permettant le contrôle du chauffage des différentes parties du chromatographe (colonnes, détecteurs, pièges, lignes de transfert, vannes...), ainsi que le contrôle des détecteurs TCD et l'aquisition de leurs signaux.

Photo du modèle brassboard de MOMA-GC. Ce brassboard est composé d'un réservoir d'hélium (sphère en haut à gauche), de 2 modules analytiques (en haut à droite), de 11 vannes  avec l'électronique de commande (en bas à droite), de 2 pièges (au centre) et d'une tapping station avec un four à pyrolyse (en bas à gauche).

Photo des cartes électroniques principales du modèle brassboard de MOMA-GC. Ces cartes contrôlent entièrement MOMA-GC aussi bien au niveau des chauffes qu'au niveau du signal des détecteurs.