Les interactions non-covalentes (NCI pour Non-Covalent Interactions) stabilisant les complexes non-covalents biologiques (NCX pour Non-Covalent compleXes) régissent la majorité des processus cellulaires indispensables au développement et au bon fonctionnement de tout organisme vivant. Toutes les fonctions de l'ADN, tels que son conditionnement, sa réplication et la régulation de son expression, sont permises par la formation et la dissociation de NCI avec des protéines. La compréhension des bases de ces processus cellulaires de l'ADN au niveau moléculaire est un sujet d'actualité et d'une importance fondamentale. Des informations essentielles peuvent être obtenues par spectrométrie de masse (MS pour Mass Spectrometry) qui joue un rôle de plus en plus important dans ce domaine. Malgré la technologie avancée déjà mise en ¿uvre, le développement de nouveaux concepts d'ionisation et d'activation implémentent perpétuellement la MS. Les travaux de thèse exposés à travers ce manuscrit présente l'étude de la stabilité des NCI maintenant les NCX biologiques par la comparaison des voies de fragmentations observées en mode positif et en mode négatif mais aussi par l'application de certains concepts récents de la MS comme : (i) l'utilisation d'agents de " superchargement " et, (ii) le développement et l'utilisation d'une source V-EASI (pour Venturi Easy Ambiant Sonic-spray Ionization) permettant l'aspiration libre de la solution et la désorption/ionisation des analytes par la seule vélocité du gaz de nébulisation. / Non-covalent interactions (NCI) stabilizing biological non-covalent complexes (NCX) lead most of cellular processes compulsory for the development and the functioning of all living organisms. All DNA functions, such as its conditioning, its replication and the regulation of its expression, are allowed by the formation and the dissociation of NCI with proteins. The comprehension of cellular processes basis of DNA at the molecular level is both topical and fundamental. Crucial information can be obtained by mass spectrometry (MS) which plays an increasing role in this field. Despite the already advanced technology applied, the development new ionization and activation concepts implement perpetually the MS. The Ph.D. work described through this manuscript presents the study of NCI maintaining the biological NCX by the comparison of fragmentation pathways observed in positive ion mode and in negative ion mode but also by the application of some recent MS concepts like: (i) the use of supercharging reagents and, (ii) the development and the use of a Venturi Easy Ambiant Sonic-spray Ionization (V-EASI) source allowing the free aspiration of the solution and the desorption/ionization of the analytes only by the velocity of the spraying gas.

Que ce soit lors de la prévention d'actes malveillants ou l'expertise post-attentat, les techniques de prélèvement par frottis et d'analyse d'explosifs se doivent d'être à la fois fiables et sensibles. La méthode par chromatographie en phase liquide (HPLC) couplée à la spectrométrie de masse (MS) présente les caractéristiques requises mais nécessite une étape importante de préparation de l'échantillon et un temps d'analyse conséquent. L'évaluation des performances du couplage HPLC-MS pour l'analyse de frottis réalisés sur des matrices textiles et le développement d'une méthode d'analyse directe et quasi-instantanée de la surface de l'échantillon constituent l'objet de ce mémoire. Pour ce second objectif, les sources d'ionisation ambiante DESI et DART, couplées à la spectrométrie de masse haute résolution (HRMS) ont été utilisées. Une part importante de ce travail a été consacrée à l'étude des mécanismes CID des explosifs, lors de laquelle la HRMS a montré tout son intérêt. Si l'utilisation de la source DESI est plus délicate pour l'étude des surfaces textiles hydrophiles et absorbantes, le potentiel qualitatif de la source DART a été démontré avec succès sur des échantillons simulés et réels. Des résultats prometteurs illustrent la validité de cette approche analytique à la fois sensible, rapide et facile à mettre en ¿uvre, et encouragent à poursuivre les travaux vers une analyse quantitative. / Swabbing and analysis protocols for trace explosives detection have to be both reliable and sensitive, either for prevention measures against bomb attacks or for post-blast scene investigations. The coupling of mass spectrometry (MS) with liquid chromatography (HPLC) offers the required features but important sample preparation steps are often needed and chromatographic separations can require long run times. The evaluation of an LC-MS coupling for the analysis of fabric swabs and the development of a direct and nearly instantaneous method for sample surface analysis are the subjects of this dissertation. DESI and DART ion sources coupled with high resolution mass spectrometry (HRMS) were used for this second method. Part of this work was devoted to the study of CID mechanisms of explosives, in which HRMS appears to present a great interest. Even though the use of DESI source for hydrophilic and absorbent fabric samples analysis is tricky, DART source was successfully applied to qualitative analysis of simulated as well as real samples. Very promising results strengthen the relevance of this direct approach both sensitive, rapid and easily implementable, and encourage pursuing the studies toward quantitative analysis. Keywords: Forensic, explosives, fabrics, extraction, high resolution mass spectrometry, ESI, ambient ionization/desorption (DESI, DART), CID mechanisms, negative ions.

Les méthodes hybrides alliant la mécanique quantique et la mécanique moléculaire (QM/MM) sont des outils adéquats pour traiter des systèmes biologiques. Les phénomènes électroniques souvent étudiés sur des petites molécules ont, dès lors pu être envisagés dans des environnements macromoléculaires. Ce travail explore trois phénomènes électroniques en présence d'un environnement protéique: l'absorption, la capture électronique et les ionisations de coeur. Nous avons employé les derniers développements de la méthode QM/MM {Local Self-Consistent Field} (LSCF) pour traiter la jonction covalente entre la partie QM et la partie MM ainsi que le couplage QM/MM avec le PCM. En premier lieu, nous nous sommes focalisés sur les spectres d'absorption de chromophores présents dans des macromolécules. Nous avons mis au point un couplage entre les méthodes LSCF/MM et PCM pour prendre en compte la polarisation électronique de l'environnement suite à l'absorption d'un photon par le chromophore. Ce modèle, le LSCF/MM\string:ERS, a été testé et validé sur le spectre d'absorption du complexe de squaraine-tétralactame. Une étude plus poussée a ensuite été réalisée sur une protéine fluorescente en décomposant la longueur d'onde d'absorption maximale en trois contributions physiques. Les effets de la substitution du chromophore ont aussi été évalués. Dans une seconde partie, nous avons étudié la capture électronique par un cyclotide contenant trois ponts disulfures, qui, après irradiation, forment des demi-liaisons caractéristiques (2c-3e). La dernière partie est consacrée à la validation de l'approche de la projection asymptotique. Elle a été réalisée dans le cadre d'une étude sur les ionisations de coeur d'un ensemble de molécules pour, par la suite, étudier les ionisations de coeur de la glycine présentes dans des systèmes de plus en plus complexes jusqu'à la Sérum-Albumine Humaine. / Hybrid methods that combine quantum mechanics and molecular mechanics (QM/MM) provide a near-ideal treatment of biological system reactivity and spectroscopy. Many electronic phenomena often studied on small systems can be now forseen in macromolecular surroundings. This work considers the treatment with QM/MM tools of three electronic phenomena in biosystem: absoprtion, electronic attachment and core ionization. Latest developments of the Local Self-Consistent Field formalism (LSCF) have been used to treat delicate covalent junctions between the QM part and the MM part and the coupling of QM/MM and PCM methods. Firstly we have focussed on absorption spectra of chromophores embedded in macromolecules. The combined LSCF/MM and PCM approach have been employed to account for the electronic polarization when the chromophore absorbs one photon. This new method, called LSCF/MM\string:ERS has been tested and validated with the study of the absorption spectra on the squarain-tetralactam complex. Then, we have considered a fluorescent protein and decomposed the maximum absorption wavelength into several physical contributions. We have also analyzed the substitution effect of the chromophore. Secondly, the electronic capture have been studied on a cyclotide containing three disulfide bonds, which forms caracteristic hemi-bond (2c-3e) after irradiation. The last electronic phenomena studied is the core ionization tackled within the framework of the asymptotic projection approach. The latter has been implemented, then tested and validated on a set of molecules. This method have been employed to analyze the specific core ionization of glycine-containing systemes of increasing complexity, up to the Human Serum Albumin

La structuration de matériaux transparents (verre, eau, ...) irradiés par des impulsions lasers intenses brèves (nanoseconde) et ultra-brèves (femtoseconde) trouve de nombreuses applications dans les domaines de la biomédecine, des nano-optiques ou encore de l'endommagement d'optiques par des lasers de puissance. Dans un premier temps, nous avons modélisé le processus d'éjection qui se produit lors du transfert d'un matériau liquide (eau, hydrogel) lorsque la cible est irradiée par un laser nanoseconde. Le matériau est ici chauffé par conduction thermique via un ablateur métallique, et l'éjection est réalisée via un processus purement hydrodynamique. Si l'on considère maintenant cette même technique réalisée avec un laser femtoseconde, on peut envisager de transférer des volumes de matière nanométriques, ce qui correspond à la taille typique d'une molécule. En régime femtoseconde, les processus d'absorption de l'énergie sont différents, de même que les échelles de temps sur lesquels ils se produisent. Si l'impulsion laser est suffisamment focalisée dans le matériau, un plasma se forme dans la zone d'absorption, où la densité d'énergie atteinte est supérieure à l'énergie de liaison des matériaux considérés (eau, silice, mica). Un modèle d'ionisation et de chauffage des électrons a été mis en place et a été couplé à un code de propagation instantanée des ondes électromagnétiques. Trois applications ont été étudiées, correspondant à trois configurations laser/cible différentes : (1) un processus de formation de jets liquides et solides prometteur pour la réalisation de nano-optiques, (2) la formation de nanocavités à l'intérieur d'un volume de silice pouvant servir comme stockage d'information, (3) l'étude des seuils d'endommagement et d'ablation de la silice en surface. Dans chaque cas, la densité d'énergie absorbée a été utilisé comme donné initiale pour le code d'hydrodynamique CHIC qui a permis de suivre l'évolution du matériau après l'irradiation : ondes de compression, changements de phase, etc... La résolution couplée de la propagation du laser et de son absorption dans la matière nous a permis de mener une étude à la fois qualitative et quantitative de l'interaction. La comparaison avec les données expérimentales a aboutit à l'amélioration du modèle d'absorption et de chauffage. / Abstract

Accurate measurements of ammonia, nitric acid and formic acid are important for achieving a complete understanding of their atmospheric role. Models and measurements of formic acid in the atmosphere continue to show disagreements. Also, the contributions of NMHCs and reactive nitrogen (HNO3 and NH3) to organic and inorganic aerosol formation are important to quantify as gaps in the knowledge of atmospheric aerosols are a source of uncertainty in climate science. In this thesis, concentrations of ammonia were measured in the atmosphere and the production of formic acid from the ozonolysis of isoprene was measured in the EXTRA (EXTreme RAnge) chamber. Both gases were studied using chemical ionisation mass spectrometry (CIMS). The kinetics of the reactions of sesquiterpenes and terminal alkenes with ozone were studied in theEXTRA chamber using the relative rates technique and GC-FID. The ozonolysis rate coefficients of a homologous series of terminal alkenes were measured at elevated temperatures and found to be invariant with the carbon number. This led to the conclusion that previous measurements of these rate coefficients were subject to experimental artefacts. The elevated temperature protocol was employed to study the ozonolysis of sesquiterpenes, leading to revisions in ko3 for β-caryophyllene and α-humulene of 3 orders of magnitude. It was thus concluded that ozonolysis only accounts for 9-15% of sesquiterpeneoxidation in the atmosphere. A field intercomparison of CIMS for measuring ammonia was conducted wherein CIMS was found to perform well alongside instruments of comparable time response and limits of detection. This thesis also characterised inlet materials used in atmospheric measurements in the first systematic study on the uptake onto inlet walls in a flow tube system coupled to CIMS. It was found that PFA is the preferable material for atmospheric measurements, both for its kinetic qualities and its ready availability and ease of use. Finally, CIMS was used to measure the yield of formic acid from isoprene ozonolysis as a function of relative humidity. Formic acid yield was found to increase between 0-40% RH to a maximum of 0.18. Using the measured formic acid yields in a global chemistry model leads to an estimate that formic acid production from isoprene ozonolysis is ~9.5 Tg yr-1.

Um Proteine und Peptide ohne Verluste in der Trennleistung mit Hilfe der Kapillarelektrophorese zu analysieren, wurde der Innenkanal von fused silica Kapillaren mit 2-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) nach dem Prinzip der radikalischen Atomtransferpolymerisation beschichtet. Durch die Variation einiger Reaktionsparameter konnten dabei vier HEMA-Beschichtungen erhalten werden. Mit diesen wurden dann nach den Methoden der Kapillarzonenelektrophorese bei pH 3 und pH 9 und der isoelektrischen Fokussierung Vergleichsmessungen durchgeführt. Die Detektion erfolgte dabei teilweise mit einem Elektrosprayionisations-Flugzeit-Massenspektrometer. Es stellte sich heraus, dass sich die entwickelten Kapillarbeschichtungen im Bezug auf Trenneffizienz wie auch Stabilität im basischen Bereich teilweise stark voneinander unterschieden. Die Betrachtung der Polymerschichten mit Hilfe der Atomkraftmikroskopie zeigte, dass die Morphologie der HEMA-Beschichtung stark vom gewählten Reaktionsmedium abhängig ist.

Le projet CaLIPSO (Calorimètre Liquide Ionisation Position Scintillation Organométallique) a pour ambition de mettre au point un détecteur de γ 511 keV très efficace et très rapide pour la tomographie par émission de positons. Pour cela nous utilisons comme milieu de détection un nouveau liquide, le TMBi (TriMéthylBismuth). Dans le TMBi, l’interaction de photons γ produit des photons optiques et des paires électrons-ions. Le but de cette thèse est de mesurer les paramètres d’ionisation du TMBi et de construire, un détecteur de charge instrumentant efficacement ce liquide, et son électronique associée. Afin de pouvoir détecter les électrons libres créés par l’ionisation du liquide, celui-ci doit être ultrapur, c’est-à-dire débarrassé de tout composé électronégatif qui pourraient capturer les électrons et diminuer le signal. Ceci a été travaillé à l’aide de tamis moléculaires. Les signaux à détecter sont très faibles (fA, fC). Ainsi, l’environnement de l’expérience et le détecteur ont été développés pour des mesures très bas bruit (niveaux de bruit mesurés inférieurs à 10 fA et 200 électrons). Nous avons travaillé à mesurer le rendement d’ionisation (ou Gfi) qui quantifie le rendement de production de charge dans le liquide, la mobilité des électrons dans le TMBi et la résolution en énergie du détecteur. Ce sont les principaux paramètres permettant de valider l’utilisation de TMBi pour l’imagerie TEP. Les futurs développements comprennent la mise en œuvre d’un détecteur densément pixellisé et l’optimisation de la résolution en énergie. / The CALIPSO project (Calorimètre Liquide Ionisation Position Scintillation Organométallique) aims to develop a very efficient and very fast 511 keV γ detector for positron emission tomography. For this we use an organometallic liquid for the detection medium, the TMBi (TriMéthylBismuth). In TMBi, the interaction of a γ photon produces optical photons and electron-ion pairs.The aim of this thesis is to measure the ionization parameters of the liquid TMBi and build an efficient charge detector and its associated electronics.In order to detect the free electrons created by the ionization in the liquid, this liquid must be highly pure (which means free of any electronegative compound which could capture electrons and reduce the signal). This has been worked on using molecular sieves.The signals to be detected are very weak (fA, fC). Thus, the test setup and detector were developed for very low noise measurements (measured noise levels below 10 fA and 200 electrons).We measured the ionization yield (or Gfi) which quantifies the charge production yield in the liquid, the electrons mobility in the TMBi and the energy resolution of the detector. These are the main parameters to validate the use of TMBi for PET imaging.Future developments include the implementation of a pixelated detector and optimization of the detector energy resolution.

Die Dissertation besteht aus zwei Teilen: im ersten Teil wird das Verhalten von kleinen Edelgasclustern in intensiven Laserfeldern theoretisch untersucht. Im zweiten Teil wenden wir die Bohmsche Mechanik auf die Untersuchung von Helium und des Wasserstoffmolkülions (H_2^+) in intensiven Pulsen an. Im ersten Teil wird zunaechst ein numerisches Modell entwickelt, welches es erlaubt, unter Mitnahme aller Elektronen die die Dynamik kleiner Edelgascluster in starken Feldern zu simulieren. Anschliessend wird detailliert untersucht, wie die Expansion eines Clusters Einfluss auf dessen Absorptionseigenschaften nimmt. Wir verallgemeinern dabei den aus der Molekuelphysik bekannten "enhanced-ionization" Mechanismus auf den Bereich der Clusterphysik. Im zweiten Teil wird die in der Bohmschen Mechanik gegebene Moeglichkeit einer mikroskopischen Untersuchung der Wellenfunktionsdynamik verwendet, um atomphysikalische Prozesse unter einem neuen Aspekt zu betrachten. Der Ionisationsprozess des Wasserstoffmolekuelions im starken Lichtfeld wird eingehend untersucht, insbesondere die Frage, bei welchen Kernabstaenden die Ionisation stattfindet. Fuer das Heliumatom liefert die Analyse der zur Einfach- bzw. Doppelionisation fuehrenden Anfangszustaende der Bohmschen Testteilchen neue Einblicke in das nichtsequentielle Ionisationsverhalten.

For the first time, a full-dimensional quantum-mechanical description of excitation, dissociation and ionization of H2+ in intense laser fields is presented. The quantum-mechanical propagation of the nuclei is carried out approximately using time-dependent Floquet surfaces and the Coulomb surface, switching between these surfaces is possible stochastically (”hopping”). The impact of quantum effects in the nuclear dynamics on dissociation and ionization as well as their interplay is investigated in detail. The results are in excellent agreement with experimental data. It is shown in particular that quantum effects in the nuclear dynamics are essential for the description and interpretation of the experiments.:1 Introduction 1 2 Theory 3 2.1 Methods for the description of H+ 3 2.2 Hopping between potential surfaces 5 2.3 Equations of motion 9 2.3.1 The classical equations of motion for the nuclei 11 2.3.2 The Schr¨odinger equation for the electronic part 12 2.3.3 The connection between classical and quantum mechanical propagation 13 2.4 Calculation and discussion of required quantities 15 2.4.1 Born-Oppenheimer states and Born-Oppenheimer surfaces 15 2.4.2 Floquet states and Floquet surfaces 16 2.4.3 Initial conditions 22 2.5 Dissociation 24 2.5.1 Hopping between Floquet surfaces 25 2.5.2 Comparison with full quantum-mechanical results 29 2.6 Ionization 32 2.6.1 Hopping to the Coulomb surface 32 2.6.2 Comparison with NA-QMD results 37 3 Application: Fragmentation dynamics of H+ in short, intense laser pulses 41 3.1 Dissociation and ionization probabilities 43 3.1.1 Time resolved probabilities 43 3.1.2 Intensity resolved probabilities 44 3.1.3 Angular resolved probabilities 48 3.2 Kinetic energy release (KER) 50 3.2.1 Angular integrated KER 50 3.2.2 Angular resolved KER 54 3.2.3 Distribution of the ionization hops 56 3.3 The role of rotationally excited initial conditions 57 3.4 Comparison with experimental data 61 3.4.1 Dissociation KER 62 3.4.2 Angular distribution of dissociating fragments 64 3.4.3 ionization KER 65 Summary, conclusion, and outlook 67 Appendices 69 Bibliography 83

Semiclassical theories have proven to be a versatile tool in ultrafast strong field science. In this thesis, the power of classical trajectory Monte Carlo (CTMC) and quantum trajectory Monte Carlo (QTMC) simulations is celebrated by applying them in various strong field ionization settings. One question to be addressed concerns the way nonadiabaticity in the ionization process manifests itself. It will be shown how the assumption of a vanishing initial longitudinal momentum is the reason for the strong broadening of the initial time spread claimed in a popular nonadiabatic theory. Moreover, it will become clear how the broader time spread of this theory and the non-zero initial longitudinal momenta of another widely applied nonadiabatic theory approximately compensate each other during propagation for typically studied nonadiabatic parameters. However, parameters in the nonadiabatic but still experimentally relevant regime will be found where this approximation breaks down and the two different theories lead to distinguishably different momentum distributions at the detector after all, thus allowing to test which theory describes the situation at the tunnel exit more accurately. After having tunneled through the barrier formed by the laser and Coulomb poten-tial, the electron does not necessarily leave the atom for good but can be captured in a Rydberg state. A study of the intensity-dependence of the Rydberg yield will reveal, among other things, nonadiabatic effects that can be used as an independent test of nonadiabaticity in strong field ionization. Moreover, it will be shown that the duration of the laser pulse can be used to control both the yield and principal quantum number distribution of Rydberg atoms. The highly enhanced and spatially inhomogeneous fields close to a nanostructure are another setting in which atoms can be ionized. Here, the emergence of a prominent higher energy structure (HES) in the spectrum of photoelectrons will be reported. The narrow time-window in which the corresponding electrons are released suggests a promising method for creating a localized source of electron pulses of attosecond duration using tabletop laser technology. Having such potential applications in mind, analytical expressions are derived to describe the electrons’ motion in the inhomogeneous field, thus being able to control the spectral position and width of the HES. Moreover, a unifying theory will be developed in which the recently reported experimental finding of a low-energy peak (LEP) can be understood to arise due to the same mechanism as the theoretically predicted HES, despite those two effects having been found in different energy regimes so far. This unifying theory will show how the well-established experimental technique in which the LEP was reported, i.e. ionization directly from the nanotip rather than from atoms in its vicinity, should allow the realization of a prominent and narrow peak at higher energies as it was theoretically described in the framework of the HES. Despite being much weaker, the spatial inhomogeneity of the Coulomb potential can influence the photoelectron spectrum as well. It will be shown how the asymmetric Coulomb potential of a tilted diatomic molecule introduces an asymmetry in the photoelectron momentum distribution at the detector. The degree of asymmetry depends on whether the electron is born at the up- or downfield atom. This information is then used to quantify the ratio of ionization from the up- and downfield site from experimental photoelectron momentum distributions.