Radiolyse par les rayons X-mous de l’eau et des biomolécules: expériences et simulations

Résumé :

La thèse vise à comprendre l’interaction des rayons X mous à faible pénétration et à dépôt d’énergie dense (< 2 keV) avec l’eau et les systèmes eau-dipeptide. Les rayons X mous interagissent principalement via l’ionisation en couche interne (étant donné que l’énergie du photon est supérieure au seuil d’absorption de l’atome cible), suivie par la désintégration Auger pour les éléments ayant un faible Z (comme le carbone, l’oxygène, l’azote, etc.), et multipliant ainsi les molécules ionisées. Afin d’étudier les effets indirects, l’interaction des rayons X mous avec l’eau a été étudiée, en effectuant des irradiations au-dessus au seuil O K (532 eV) qui donne lieu à une molécule d’eau doublement ionisée (H₂O₂⁺). La dissociation de H₂O₂⁺ et les réactions successives de son produit de dissociation dans les voies d’ionisation conduisent à la production d’espèces superoxydes (HO₂°). Cette formation de HO₂° n’a pas encore été étudiée dans la gamme d’énergie des rayons X mous, en raison de la faible pénétration des rayons X mous dans les milieux condensés et des faibles rendements en radicaux dans cette domaine d’énergie. Dans cette perspective, nous proposons au cours de cette thèse un moyen de détecter les faibles rendements en radicaux formés lors de l’irradiation avec des rayons X mous. Nous présentons le développement d’une technique de détection en ligne très sensible, à travers une cellule microfluidique ayant une fenêtre en nitrure de silicium de 150 nm d’épaisseur couplée à une cellule de détection UV en ligne. Cette technique de détection a permis d’obtenir une sensibilité jusqu’à une concentration de 10-8 mol L-1, grâce à une correction en temps réel de la ligne de base. Ces expériences ont été réalisées dans la branche des rayons X mous de la ligne de faisceau METROLOGIE au synchrotron SOLEIL.

Dans le but de comprendre les effets directs, les événements ultrarapides (étape physique) se produisant lors de l’interaction de rayons X mous avec un dipeptide aqueux (Glycylglycine) ont été étudiés à l’aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X résonante et non résonante. L’étude a été réalisée à l’aide d’un microjet liquide, comprenant un analyseur d’énergie électronique hémisphérique commercial tout en ayant la possibilité de récupérer l’échantillon pour une analyse plus approfondie, disponible sur la ligne de faisceau PLEIADES au synchrotron SOLEIL. Les études d’ionisation de coeur et d’absorption résonnante ont été menées afin de déterminer l’effet de solvatation et les modifications des structures électroniques, autour du seuil d’absorption du carbone (284 eV) et de l’azote (401 eV).

Ces études (pour les effets indirects et directs) ont été étayées par des simulations de dynamique moléculaire ab-initio (AIMD) pour élucider les mécanismes fondamentaux des interactions expliquées ci-dessus. L’évolution dynamique du système (eau doublement ionisée et liaison peptidique dans l’eau liquide), de l’échelle de temps femto à picoseconde, a été modélisée à l’aide de la TD-DFT (théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps). Cette étape a été suivie par des simulations de dynamique moléculaire de Car-Parrinello ou Born-Oppenheimer à l’aide du code CPMD bien défini. Les calculs de la densité d’états ont également été effectués pour apporter une compréhension complémentaire à l’expérience de spectroscopie. Ces calculs ont été effectués avec les superordinateurs Occigen (CINES), Jean-Zay (IDRIS) et MeSU (Sorbonne Université), France.

Mots clés : Radiolyse, superoxyde, irradiation, rayons X-mous, synchrotron.

Abstract:

The thesis aims to achieve an understanding on interaction of low penetrating densely energy-depositing soft X-rays (< 2 keV) with water and water-dipeptide systems. The soft X-rays dominantly interact via core-shell ionization (given the photon energy is above the absorption edge of the target atom), followed by Auger decay for elements with low Z (like Carbon, oxygen, nitrogen, etc.), leading to multiply ionized molecules. To study the indirect effects, the interaction of soft X-rays was studied with water, by performing irradiations above O K-edge (532 eV) that results in a doubly ionized water molecule (H₂O₂⁺). The dissociation of H₂O₂⁺ and the consecutive reactions of its dissociation product in the ionization tracks, leads to the production of superoxide species (HO₂°). This HO₂° formation is not yet studied in the soft X-ray energy range, because of the low penetration of soft X-rays in condensed medium as well as low radical yields in this energy range. Via this thesis, we provide a way to detect low radical yields formed upon irradiation with soft X-rays. We present the development of a highly sensitive in-line detection technique, i.e. microfluidic cell having a 150 nm-thick silicon nitride window coupled to an in-line UV detection cell. This state-of-the-art detection technique allowed a sensitivity down to the concentration of 10-8 mol L-1, thanks to a real-time baseline correction. These experiments were performed at the soft X-rays branch of METROLOGIE beamline at SOLEIL synchrotron.

To understand the direct effects, the ultrafast events (physical stage) occurring upon the interaction of soft X-rays with aqueous dipeptide (Glycylglycine) were studied using resonant and non-resonant X-ray photoelectron spectroscopy. The study was carried out using the liquid microjet set-up, comprising a commercial hemispherical electron energy analyzer with the possibility of recovering the sample for further analysis, available on PLEIADES beamline at SOLEIL synchrotron. The core-ionization and resonant absorption studies were conducted with an aim to understand the solvation effect and modifications in the electronic structures, around the carbon (284 eV) and nitrogen (401 eV) absorption edge.

These studies (for indirect and direct effects) were supported by ab-initio molecular dynamics (AIMD) simulations to elucidate the fundamental mechanisms of the above explained interactions. The dynamical evolution of the system (doubly ionized water and peptide bond in liquid water), from femto to picosecond time scale, was modelled using TD-DFT (Time-Dependent Density Functional Theory), followed by Car-Parrinello or Born-Oppenheimer Molecular dynamics simulations with the well-defined CPMD code. The density of states calculations were also carried out to provide a complementary understanding to the spectroscopy experiment. These calculations were performed on the Occigen (CINES), Jean-Zay (IDRIS) and MeSU (Sorbonne Universitè) supercomputers, France.

Keywords: Radiolysis, superoxide, irradiation, soft X-rays, synchrotron.