Edition 25 février 2014

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SAM_GC dans la suite intrumentale SAM

SAM_GC est un des trois instruments qui constituent la suite instrumentale SAM, les deux autres étant le spectromètre de masse quadrupolaire (QMS) développé par le NASA/GSFC, et le spectroscope laser accordable (TLS) développé par le NASA/JPL. Ces trois instruments sont intégrés dans une structure incluant l'échantillonneur de l'expérience constitué de 77 fours placés sur un carroussel. Ce sytsème permet d'amener chacun des fours dans une position dans laquelle ils peuvent être remplis par des échantillons de sols ou de roches prélevés par Curiosity, puis de les amener à une position dans laquelle il peuvent être chauffés jusqu'à 1100°C. 

Objectifs scientifiques et analytiques de SAM_GC

L'objectif de SAM_GC est principalement l'analyse et l'identification des molécules organiques et inorganiques issues du traitement des échantillons de sol prélevés par Curiosity. 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 la suite instrumentale. Dans les deux cas, il est fort probable que plusieurs espèces gazeuses soient relachées 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 (QMS). 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, pemet 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 et de l'argon. 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 dénomés L ou D en fonction de la géométrie de la molécule

Le chromatographe permet également l'analyse des énantiomères, ce que ne peux pas faire le QMS tout seul. En effet, des énantiomères sont des molécules disymétriques identiques en composition et en structure chimique, mais qui sont l'image l'une de l'autre au travers d'un mirroir. Cette différence n'est pas détectable avec un QMS 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 deux formes énantiomérique 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 prébitoique, soit de mettre en évidence des mécanismes physico-chimiques qui pourraient être à l'origine de l'homochiralité du vivant sur Terre.
      Pour finir, SAM_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.

Description technique

Pour répondre aux objectifs scientifiques, SAM_GC est composé de six voies analytiques, chacune dédiée à la séparation d'une gamme précise de composés potentiellement présents dans les échantillons analysés. Ces six voies incluent chacune une colonne chromatographique (tube capillaire) et un dispositif permettant de les maintenir à température stable entre l'ambiante (environ 30°C) et 250°C.
        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 résine 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 plutot dédiés à la séparation des très petites molécules (e.g. N2, CO, CH4...) alors que les résines sont plutot dédiées à séparer les molécules organiques, ce qui inclut les énantiomères.

Cinq des six 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 colone, 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) et 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.

       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, trois des six voies analytiques sont équipées de systèmes 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 relache 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.

    Ces six voies analytiques existent sous forme de modules indépendants. Ces modules sont montés sur une plaque support qui doit être intégrée dans la structure mécanique de l'expérience SAM.
          Le contrôle du chauffage des différentes parties du chromatographe (colonnes, détecteurs, pièges) se fait à l'aide d'une électronique développée par le centre GSFC de la NASA. L'équipe française a quant à elle développée l'électronique de contrôle des détecteurs TCD et d'acquisition de leurs signaux, ce qui représente une carte électronique de SAM.