Ce travail porte sur la réalisation d'un microspectromètre SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) incluant des compteurs de photons SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector). Il met en œuvre un interféromètre intégré à guide d'onde en arête bouclé, en SiN, sous lequel sont disposés 24 nanofils supraconducteurs SNSPD en NbN échantillonnant les interférences au pas de 160nm, à une longueur d'onde centrée sur 1.55µm. La conception, l'étude des composantes optique et électronique, la fabrication et la caractérisation à 4.2K sont décrites, jusqu'à la mise en évidence d'une modulation de puissance lumineuse dans le guide conformément à la formation attendue d'interférences. Le SWIFTS-SNSPD constitue le premier dispositif optoélectronique supraconducteur à part entière, doublement intégré. Sa capacité unique d'échantillonnage direct de franges d'interférences ouvre de nombreuses perspectives, pour des applications allant de l'astrophysique aux télécoms. / This work presents the realization of a SWIFTS (Stationary Wave Integrated Fourier Transform Spectrometer) micro-spectrometer with SNSPD (Superconducting Nanowire Single Photon Detector) photon counters. The device features an integrated interferometer made of a SiN loop ridge-waveguide, with an array of 24 NbN-nanowire SNSPD underneath that samples at a 160nm period the interferogram of a laser light, at a wavelength centred on 1.55µm. The conception, preliminary studies of integrated optics and electronics, fabrication and characterization at 4.2K of the final device are described, in particular the observation of the detected signal modulation in the waveguide in agreement with the expected interference formation. The SWIFTS-SNSPD constitutes the first stand-alone, fully integrated superconducting optoelectronic device. Its unique capability of direct sampling of light interferogram opens numerous perspectives, with possible applications ranging from astrophysics to telecommunications.

Le noyau est un objet quantique complexe formé de protons et neutrons. Dans l'approche champ moyen, les nucléons sont considérés comme des particules indépendantes évoluant dans un potentiel moyen. Cependant dans certaines conditions, des nucléons peuvent se regrouper pour former des amas ou « clusters ».Pour comprendre ce phénomène de « clusters » dans les noyaux, nous avons étudié la structure dans l'état fondamental du 40Ca et de l'40Ar. En effet, des calculs théoriques tendent à montrer que les noyaux N = Z pourraient plus facilement adopter une structure en « clusters » que les noyaux N ≠ Z en raison d'un plus grand recouvrement des fonctions d'onde des neutrons et protons. Dans ce cas, l'émission de particules α par les noyaux N = Z sous l'effet du potentiel nucléaire attractif d'un noyau projectile, appelée « Towing-Mode » sera plus important que pour un noyau N ≠ Z. Dans ce but, nous avons réalisé une expérience au GANIL utilisant un faisceau d'40Ar à 35 MeV/A et une cible de 40Ca. Le spectromètre SPEG a permis d'identifier avec une très bonne résolution les ions lourds produits durant la réaction. Les détecteurs silicium MUST2 furent placés tout autour de la cible pour mesurer les particules α émises par la cible et le projectile et le prototype de calorimètre EXL fut utilisé pour la détection des photons de décroissance des noyaux résiduels d'36Ar et de 36S.Un modèle théorique basé sur la résolution de l'équation de Schrödinger dépendante du temps (TDSE) a été utilisé pour reproduire certains résultats expérimentaux comme les distributions angulaires. L'analyse des données a permis de reconstruire des spectres d'énergies d'excitation et des sections efficaces différentielles. De la comparaison entre ces distributions expérimentales et celles calculées par le modèle théorique, nous avons pu extraire des facteurs spectroscopiques Sα pour les deux noyaux d'intérêt. Les taux de « clusterisation » observés pour ces deux noyaux semblent indiquer que la structure en « clusters » n'est pas plus favorisée dans le 40Ca que dans l'40Ar. / Nuclei are complex self-bound systems formed by nucleons. Conjointly to a mean-field picture in which nucleons can be regarded as independent particles, few nucleons might self-organize into compact objects, called clusters, inside the nucleus. It is theoretically predicted that it should manifest itself most strikingly for N = Z nuclei close to the emission thresholds and has been studied extensively in this region. We propose to study α-clusterization in the ground state of the N = Z 40Ca nucleus and the N ≠ Z 40Ar nucleus. We have studied the nuclear break-up of 40Ca when the 40Ar projectile passes by. If α clusters are preformed in 40Ca, the probability of α-emission through nuclear break-up will be enhanced as compared to 40Ar N ≠ Z nuclei. The nuclear break-up of 40Ca was studied with an 40Ar beam produced at GANIL at 35 MeV/A. The SPEG spectrometer was used to detect the heavy projectile with accurate resolution. The MUST2 Silicon detectors were placed around the target to measure the emitted α and the EXL calorimeter prototype was used to identify the γ rays from the decay of the residual 36Ar and 36S.A theoretical approach based on Time-Dependent Schrödinger Equation (TDSE) theory has been used to reproduce some experimental results like angular distributions.From the data analysis, we reconstructed excitation energy spectra and angular distributions which are compared to TDSE theory to extract some spectroscopic factors Sα. These factors show that there is no more clusterization state in the ground state of the 40Ca than in the ground state of 40Ar.

L'étude des noyaux exotiques riches en neutrons est l'un des enjeux actuels majeurs de la physique nucléaire expérimentale. Le spectromètre S ³ , aujourd'hui en construction, pourrait permettre de les produire "en vol" grâce aux hautes intensités de l'accélérateur linéaire de Spiral2. Le mécanisme de réaction utilisé serait celui des collisions profondément inélastiques, pour ses caractéristiques telles que l'échange de nombreux nucléons et l'équilibre en N/Z des produits obtenus. Les recherches sur ce mécanisme, débutées dans les années 1970, bénéficient aujourd'hui des progrès technologiques, en particulier concernant les spectromètres de particules chargées. On a mesuré, pour la première fois sur une gamme de 0° à 35°, les sections efficaces de réactions d2sigma/dOmegadE pour différents noyaux riches en neutrons formés par collisions profondément inélastiques entre un faisceau de ⁴⁸Ca¹ ⁹ ⁺ à 10 A MeV et une cible de ² ³ ⁸U de 170(+-10%) ug/cm ². L'expérience a été réalisée au Ganil, avec le spectromètre Vamos couplé à sept clovers Exogam afin de confirmer l'identification des noyaux produits par leur signature gamma. De plus, un détecteur BaF₂ a permis la mesure de l'intensité du faisceau, essentielle au calcul des sections efficaces absolues. Les distributions angulaires, en énergie et en masse des sections efficaces double différentielles absolues sont présentées pour une large plage de quasi-projectiles. Les résultats sont comparés à ceux donnés par le couplage des modèles DIT (Deep Inelastic Transfers) et Gemini++. Les résultats obtenus montrent une production importante qui laisse envisager ce mécanisme pour la formation de noyaux riches en neutrons. Les modèles sont globalement cohérents avec les résultats et les différences majeures concernent généralement les quasi-projectiles très proches ou au contraire très éloignés du faisceau. Les implications pour la production de faisceau avec S³ sont également discutées. / The study of neutron-rich nuclei is one of the main challenges nowadays in experimental nuclear physics. Thanks to the future high intensity beams delivered by the linear accelerator of Spiral2, the S ³ spectrometer might allow their production using the "in-flight" method. The deep inelastic reaction mechanism might be used due to the important multi-nucleon transfer and the N/Z equilibration. Studies on this topic, started in the seventies, take advantages of the new available devices. We measured, for the first time between 0° and 35° in the laboratory frame, the reactions cross-sections d2sigma/dOmegadE for the neutron-rich nuclei formed by deep inelastic collisions between a 10 A MeV ⁴⁸Ca ¹ ⁹ ⁺ beam and a 170(+-10%) ug/cm² ² ³ ⁸U target. The experiment was performed at Ganil using the Vamos spectrometer coupled to seven Exogam to confirm the nuclei identification using their gamma signature. Moreover, a BaF2 detector was used to extract the beam intensities, essential for the absolute cross sections measurements. Momentum, angular and mass distributions of absolute differential cross-sections are presented for a wide range of quasi-projectiles. The results are compared with those of DIT (Deep Inelastic Transfers) coupled with Gemini++ theoretical calculations. The models are generally consistent with the results. Important differences appear for quasi-projectiles very close and very far from the beam. Relevant implications for S³ beam production are pointed out.

Les calculs de chromodynamique quantique sur réseau prévoient, que pour un potentiel baryonique nul et une température de T ∼ 173 MeV , il devrait être possible d'observer une transition de la phase de la matière hadronique vers un plasma de quarks et de gluons. Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes devraient permettre de mettre en évidence ce changement de phase. Les saveurs lourdes peuvent être utilisées pour sonder les premiers instants des collisions pendant lesquels la température est la plus élevée. Le LHC va permettre d'étudier les collisions entre noyaux de plomb et les collisions entre protons à une énergie jamais égalée : √s = 5.5 TeV (√sNN = 14 TeV ) pour le plomb (les protons). Le détecteur ALICE est dédié à l'étude des collisions d'ions lourds mais peut également mesurer les collisions entre protons. Il est équipé d'un spectromètre à muons conçu pour l'étude des saveurs lourdes. Cette thèse présente les performances du spectromètre pour la mesure de la section efficace de production inclusive des hadrons beaux (B) et charmés (D) dans les collisions proton-proton. La première étape de cette mesure consiste à extraire les distributions des muons de décroissance des hadrons B et D. L'étape suivante consiste à extrapoler les distributions aux sections efficaces de production inclusive des hadrons. Cette thèse contient également une étude préliminaire des performances du spectromètre pour la mesure du rapport de modification nucléaire et de l'observable associée nommée RB=D dans les collisions plomb-plomb de centralité0−10%. L'accent est porté sur les incertitudes et l'intervalle en impulsion transverse sur lequel ces observables pourront être mesurées. / Lattice quantum chromodynamics calculations predict a transition from the phase of hadronic matter to quark and gluon plasma for a temperature T ∼ 173 MeV and a vanishing baryonic potential. Ultra-relativistic heavy ion collisions allow to highlight this phase transition. Heavy flavours can be used to probe the first instants of the collisions where the temperature is the highest. The LHC will provide proton-proton and lead-lead collisions at unprecedented large energy (√s = 14 TeV and √sNN = 5.5 TeV respectively). The ALICE detector is dedicated to heavy ion collisions but it can also measure proton-proton collisions. The detector includes a muon spectrometer. The spectrometer has been disigned to measure heavy flavours. This PhD thesis presents the performance of the spectrometer to measure beauty hadrons (B) and charmed hadrons (D) inclusive production cross-section in proton-proton collisions. The first step of the measurement consists in extracting heavy hadron decayed muon distributions. The next step consists in extrapolating these distributions to heavy hadrons inclusive production cross-section. This PhD thesis also presents a preliminary study of the performance of the spectrometer for the measurement of the nuclear modification factor and the associated observable named RB=D in 0−10% central heavy ions collisions. Uncertainties and transverse impulsion range of extraction of the observables have been investigated.

Afin de préciser l'origine des volatils terrestres et les flux actuels et passés vers l’atmosphère, de nombreuses études s’intéressent à la composition du manteau. Ce réservoir est échantillonné naturellement lors des éruptions volcaniques, mais une grande partie des gaz est alors émise dans l'atmosphère, de sorte que la composition des volatils du manteau reste peu contrainte. Nous cherchons à préciser les mécanismes de dégazage sous les dorsales océaniques afin de corriger ces fractionnements. L'analyse (He-Ne-Ar-CO2) de verres basaltiques issus de la dorsale des Galápagos, dans la zone d'influence du point chaud des Galápagos, montre que la composition en volatils des laves s'explique par distillation de Rayleigh d'une source unique. Cette source est distincte de celle du point chaud (isotopes du néon), impliquant un dégazage en profondeur du panache ou une hétérogénéité spatiale de sa composition.Plusieurs verres volcaniques issus de la dorsale Atlantique et Est Pacifique ont été imagés par micro-tomographie aux rayons X. L'étude met en évidence des mécanismes de nucléation et de croissance des bulles différents sous les deux dorsales. De la convection en périphérie de la chambre magmatique avant l’éruption a été mise en évidence par l’étude pétrologique des verres. Les vésicules imagées ont ensuite été ouvertes individuellement sous vide par ablation laser et analysées (CO2, 4He, isotopes de l'argon). La composition des bulles est hétérogène dans certains échantillons et compatible avec une distillation de Rayleigh. Les tendances de dégazage obtenues permettent d'obtenir localement la composition de la source mantellique, qui est hétérogène.L'étude permet également d'appréhender l'hétérogénéité des rapports 40Ar/36Ar dans les chambres magmatiques par la technique d’ablation laser qui diminue la contamination atmosphérique par rapport à la technique classique de broyage / The composition of mantle volatiles is related to the origin of Earth's volatiles and to the past and present volatile fluxes to the atmosphere. Although this reservoir is naturally sampled during volcanic eruptions, most of the volatiles are lost to the atmosphere during this event, thus the composition of mantle volatiles is still uncertain. We try here to precise the processes of degassing below mid-oceanic ridges to correct the lava compositions for degassing.The He-Ne-Ar-CO2 analyses of basaltic glasses sampled along the Galapagos Spreading Center, in the area of influence of the Galapagos hotspot, show that the volatile composition of lavas is fully explained by a Rayleigh distillation of a unique source distinct from the plume source. These results imply that the plume degasses at depth or is heterogeneous.Several volcanic glasses from Mid-Atlantic ridge and East Pacific Rise have been imaged by X-rays microtomography. The mechanisms of vesicle nucleation and growth appear to be different below the two ridges. A step of convection at the magma body margin has been evidenced by the petrologic study of the glasses. Imaged vesicles have been subsequently opened under vacuum by laser ablation and analysed (CO2, 4He, argon isotopes). We observe, depending on the samples, either a single composition for all bubbles, or variations in composition between bubbles consistent with a trend of equilibrium degassing in an open system. The trends of degassing allow extrapolating locally to the volatile composition of the mantle source, which is heterogeneous. We also studied the heterogeneity of 40Ar/36Ar ratios in magmatic chambers using the laser opening method, which lowers the contribution of atmospheric gases compared to the classical crushing method

Cette thèse décrit les mesures magnétiques réalisées sur les quadripoles supraconducteurs équipant les spectromètres à haute résolution (HRS) de TJNAF, Hall A (USA), caractérisés par une résolution sigma p/p= 10 -4 pour p <4 GeV.c-1. Une méthode originale basée sur une sonde tournante multibobines a été développée. A partir d'une mesure de variation de flux dans les bobines tournantes et d'une modélisation précise des quadripoles, on détermine le champ magnétique en tout point. La procédure fait appel au formalisme du champ 3D, solution de l'équation de Laplace sous forme d'un développement en série de Fourier-Bessel. Le mémoire présente la méthode QMM, puis l'instrumentation qui consiste en deux sondes tournantes de longueur 1.6 m et 3.2 m, construites pour cartographier les 3 quadripoles Q1, Q2, Q3. Les données sont analysées en série de Fourier. La cartographie a eu lieu in situ sur le bras Electron en 1996. On présente un premier ensemble de résultats de type intégral, parmi lesquels les propriétés du cycle d'excitation des aimants (saturation, hystéresis). Un deuxième ensemble de résultats de type champ local mène à la fabrication des cartes de champ 3D. Après corrections appliquées aux données, la précision obtenue est de l'ordre de 5 Gauss sur chacune des trois composantes du champ local, soit 5.10-4 en relatif par rapport au champ central des quadripoles. On présente les premiers résultats sur l'optique magnétique des spectromètres, obtenus en utilisant les cartes de champ QMM et le logiciel SNAKE de suivi de trajectoires.

Les calculs de chromodynamique quantique sur réseau prévoient, que pour un potentiel baryonique nul et une température de T ∼ 173 MeV , il devrait être possible d'observer une transition de la phase de la matière hadronique vers un plasma de quarks et de gluons. Les collisions d'ions lourds ultra-relativistes devraient permettre de mettre en évidence ce changement de phase. Les saveurs lourdes peuvent être utilisées pour sonder les premiers instants des collisions pendant lesquels la température est la plus élevée. Le LHC va permettre d'étudier les collisions entre noyaux de plomb et les collisions entre protons à une énergie jamais égalée : √s = 5.5 TeV (√sNN = 14 TeV ) pour le plomb (les protons). Le détecteur ALICE est dédié à l'étude des collisions d'ions lourds mais peut également mesurer les collisions entre protons. Il est équipé d'un spectromètre à muons conçu pour l'étude des saveurs lourdes. Cette thèse présente les performances du spectromètre pour la mesure de la section efficace de production inclusive des hadrons beaux (B) et charmés (D) dans les collisions proton-proton. La première étape de cette mesure consiste à extraire les distributions des muons de décroissance des hadrons B et D. L'étape suivante consiste à extrapoler les distributions aux sections efficaces de production inclusive des hadrons. Cette thèse contient également une étude préliminaire des performances du spectromètre pour la mesure du rapport de modification nucléaire et de l'observable associée nommée RB=D dans les collisions plomb-plomb de centralité0−10%. L'accent est porté sur les incertitudes et l'intervalle en impulsion transverse sur lequel ces observables pourront être mesurées.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur la dynamique quantique de diffusion d'atomes d'hydrogène sur une surface de palladium (111). L'étude du système 3D a permis de détailler le spectre infrarouge de H/Pd(111) en mettant en évidence l'existence sur différents sites d'adsorption d'états localisés fortement couplés (résonance de Fermi). Ce phénomène gouverne la diffusion des atomes d'hydrogène sur une échelle de temps ultra-rapide (fs).L'étude du système 6D (H2/Pd(111)) a montré que les transitions observées sont, en fait, des bandes de transition entre plusieurs états d'adsorption quasi-dégénérés. L'accord entre les valeurs calculées et mesurées est, par contre, significativement moins bon qu'entre celles calculées pour le système 3D et les données mesurées. Est-ce que l'hydrogène adsorbé sur le palladium existe sous la forme d'une molécule diatomique faiblement lié? Cette thèse a fourni certains éléments de réponse à cette question, qui reste cependant encore ouverte. / The work carried out during this thesis focuses on the quantum dynamics of the diffusion of hydrogen atoms on a surface of palladium (111). The study of the 3D system allowed us to detail the infrared spectrum of H/Pd (111), showing the existence of different adsorption sites on which localized states exist that are strongly coupled (Fermi resonance). This phenomenon governs the diffusion of hydrogen atoms in an ultra-fast time scale (fs).The study of the (6D) H2/Pd(111) system has shown that the transitions observed are in fact transition bands between several quasi-degenerate adsorption states. The agreement between the calculated and measured values is significantly less good than that between the data calculated for the 3D system and the measured data. Does adsorbed hydrogen on palladium exist in the form of a weakly bound H2 molecule? This thesis has provided some answers to this question, which remains open, hovewer, to some extent.

Ce travail de thèse rentre dans le cadre d’un projet de recherche appliquée mené à l’Institut National de Criminalistique et de Criminologie s’intitulant « développement d’un système intégral de détection et d’identification de résidus de tir » visant à doter le laboratoire de balistique chimique d’un outil performant pour la recherche et la caractérisation des résidus de tir aussi bien inorganiques qu’organiques. Comme nous l’expliquons dans le chapitre 1, l’analyse des résidus de tir est aujourd’hui essentiellement basée sur la mise en évidence par microscopie électronique à balayage des particules métalliques provenant de l’amorce. Cette pratique a des limites. Introductif, ce chapitre met en lumière la relation entre criminologie et criminalistique, donne un aperçu de la classification des armes et décrit les relations entre les armes de poing, les munitions, les résidus de tir et la criminalistique. La motivation de l’analyse de résidus organiques et plus particulièrement des stabilisants pour poudres propulsives y est aussi expliquée. Le but principal de ce travail étant le développement d’une méthode d’analyse des stabilisants par spectrométrie de masse en tandem couplée à la chromatographie liquide à haute performance (LC-MS/MS), ce premier chapitre aborde de façon détaillée le principe de fonctionnement d’un spectromètre de masse quadripolaire, qu’il soit avec simple quadripôle ou en tandem, et traite avec une attention particulière les aspects relatifs à la production d’ions, l’acquisition des données et la détection des ions. Le chapitre 2 est consacré aux résultats et discussions. Comme point de départ de tous les travaux ultérieurs, l’optimisation du fonctionnement du spectromètre et plus particulièrement la détermination des « ions précurseurs » et des « ions produits » y est traitée en détails. De plus, l’étude de la fragmentation des ions précurseurs y occupe une place prépondérante et conditionne l’établissement d’une méthode de détection et d’acquisition des données. Dans ce même chapitre sont successivement traités la mise au point de la méthode chromatographique pour l’analyse des stabilisants par LC-MS/MS, le couplage LC-MS/MS, la collecte et préparation des échantillons, dont l’extraction sur phase solide (SPE). Disposant des procédures de traitement des échantillons et d’une méthode LC-MS/MS, il nous a été possible de mener l’étude de faisabilité de l’analyse des stabilisants dans les échantillons prélevés sur les mains d’un tireur. Cette étude fait l’objet d’une proposition de publication jointe en annexe. Pour être exploitable en criminalistique, ce travail est complété par une étude sur les fréquences d’observation des stabilisants pour poudres propulsives sur les mains des non-tireurs. L’ensemble des résultats nous permet de dresser un bilan et proposer des perspectives décrites dans le chapitre 3. A cet égard, nous proposons de poursuivre les essais relatifs aux tests de persistance des résidus de stabilisant sur les mains des tireurs et d’entamer une étude sur la caractérisation des résidus de tir de la nitrocellulose. Du point de vue de l’exploitation des acquis de ce travail, nous suggérons que les méthodes et procédures développées soient mises à l’épreuve dans les affaires nécessitant l’analyse des prélèvements effectués sur les vêtements d’un suspect ou d’une victime. Cette mise à l’épreuve permettra de comparer l’efficacité de la méthode LC-MS/MS à celle de la technique SEM/EDX habituellement utilisée. Le chapitre 4 est consacré aux matériels et méthodes détaillant notamment les procédures de collectes et de traitement des échantillons, les paramètres de fonctionnement du spectromètre de masse et les méthodes analytiques. <br> <br> This thesis deals with a research project entitled "Development of an integral system of detection and identification of gunshot residues”, carried out at the Belgian National Institute of Criminalistics and Criminology (NICC). This project aims at providing the Laboratory of Chemical Ballistics, a powerful tool to detect and identify organic gunshot residues. For instance, the analyses of gunshot residues is presently performed mainly for characterizing metallic particles originating from the primer, using scanning electron microscopy coupled to energy dispersive X-ray microanalysis (SEM-EDX). However this technique has its limits and the goal of the thesis was the development of a method for the analysis of the stabilizers (and their derivatives) present in propellant powders with the use of tandem mass spectrometry coupled to high performance liquid chromatography (LC-MS/MS). The introduction highlights the relations between Criminology and Criminalistics; it gives an outline of the classification of weapons, and describes how handguns, ammunitions, gunshot residues and Criminalistics can be linked when investigating criminal cases. The motivation of the analysis of organic gunshot residues and in particular the propellant powder stabilizers is also explained. Chapter 1 deals in detail with the working principle of a quadrupole mass spectrometer, whether it is with a single quadrupole or composed of a tandem mass spectrometer. Important aspects connected with the ion production, the data acquisition and the ion detection are also considered. Chapter 2 presents the results and discussions. It begins with the optimization of the operating conditions of the spectrometer, and focuses more specifically on the determination of “precursor ions" and "daughter ions”. The study of the precursor ion is more important because it is required for the choice of parameters involved in the data acquisition mode. The development of a liquid chromatography (LC) method and the procedures for collecting and preparing the samples are explained. Moreover, Chapter 2 summarizes the results of a feasibility study of the analyses of stabilizers in samples collected from the hands of a shooter. This study was published in a peer reviewed journal [1]. A complementary study on the frequencies of observation of stabilizers on the hands of non-shooter persons is reported at the end the Chapter. The results allow also proposing perspectives which are described in Chapter 3. In this respect, the characterization of nitrocellulose residues and the study of the persistence of stabilizer residues on the hands of shooters should be undertaken. From the practical point of view, the developed methods and procedures should be tested in real cases which involve the analyses of the samples taken from the clothing of suspects and/or victims. These tests should allow an assessment of the LC-MS/MS method compared to the efficiency of the SEM/EDX technique currently used. Chapter 4 is dedicated to the materials and methods; the sample collection and treatment procedures, as well as the working parameters of the mass spectrometer and the analytical methods are explained in detail. [1]. Désiré Laza, Ph.D.; Bart Nys, Ph.D.; Jan De Kinder, Ph.D.; Andrée Kirsch - De Mesmaeker, Ph.D.; and Cécile Moucheron, Ph.D. Development of a Quantitative LC-MS/MS Method for the Analysis of Common Propellant Powder Stabilizers in Gunshot Residue. J. Forensic Sci, July 2007, Vol. 52, N° 4, 842-850.

Ce travail de thèse rentre dans le cadre d’un projet de recherche appliquée mené à l’Institut National de Criminalistique et de Criminologie s’intitulant « développement d’un système intégral de détection et d’identification de résidus de tir » visant à doter le laboratoire de balistique chimique d’un outil performant pour la recherche et la caractérisation des résidus de tir aussi bien inorganiques qu’organiques. Comme nous l’expliquons dans le chapitre 1, l’analyse des résidus de tir est aujourd’hui essentiellement basée sur la mise en évidence par microscopie électronique à balayage des particules métalliques provenant de l’amorce. Cette pratique a des limites. Introductif, ce chapitre met en lumière la relation entre criminologie et criminalistique, donne un aperçu de la classification des armes et décrit les relations entre les armes de poing, les munitions, les résidus de tir et la criminalistique. La motivation de l’analyse de résidus organiques et plus particulièrement des stabilisants pour poudres propulsives y est aussi expliquée. Le but principal de ce travail étant le développement d’une méthode d’analyse des stabilisants par spectrométrie de masse en tandem couplée à la chromatographie liquide à haute performance (LC-MS/MS), ce premier chapitre aborde de façon détaillée le principe de fonctionnement d’un spectromètre de masse quadripolaire, qu’il soit avec simple quadripôle ou en tandem, et traite avec une attention particulière les aspects relatifs à la production d’ions, l’acquisition des données et la détection des ions.<p>Le chapitre 2 est consacré aux résultats et discussions. Comme point de départ de tous les travaux ultérieurs, l’optimisation du fonctionnement du spectromètre et plus particulièrement la détermination des « ions précurseurs » et des « ions produits » y est traitée en détails. De plus, l’étude de la fragmentation des ions précurseurs y occupe une place prépondérante et conditionne l’établissement d’une méthode de détection et d’acquisition des données. Dans ce même chapitre sont successivement traités la mise au point de la méthode chromatographique pour l’analyse des stabilisants par LC-MS/MS, le couplage LC-MS/MS, la collecte et préparation des échantillons, dont l’extraction sur phase solide (SPE). Disposant des procédures de traitement des échantillons et d’une méthode LC-MS/MS, il nous a été possible de mener l’étude de faisabilité de l’analyse des stabilisants dans les échantillons prélevés sur les mains d’un tireur. Cette étude fait l’objet d’une proposition de publication jointe en annexe. Pour être exploitable en criminalistique, ce travail est complété par une étude sur les fréquences d’observation des stabilisants pour poudres propulsives sur les mains des non-tireurs.<p>L’ensemble des résultats nous permet de dresser un bilan et proposer des perspectives décrites dans le chapitre 3. A cet égard, nous proposons de poursuivre les essais relatifs aux tests de persistance des résidus de stabilisant sur les mains des tireurs et d’entamer une étude sur la caractérisation des résidus de tir de la nitrocellulose. Du point de vue de l’exploitation des acquis de ce travail, nous suggérons que les méthodes et procédures développées soient mises à l’épreuve dans les affaires nécessitant l’analyse des prélèvements effectués sur les vêtements d’un suspect ou d’une victime. Cette mise à l’épreuve permettra de comparer l’efficacité de la méthode LC-MS/MS à celle de la technique SEM/EDX habituellement utilisée. <p>Le chapitre 4 est consacré aux matériels et méthodes détaillant notamment les procédures de collectes et de traitement des échantillons, les paramètres de fonctionnement du spectromètre de masse et les méthodes analytiques.<p><p><br><p><br><p><p>This thesis deals with a research project entitled "Development of an integral system of detection and identification of gunshot residues”, carried out at the Belgian National Institute of Criminalistics and Criminology (NICC). This project aims at providing the Laboratory of Chemical Ballistics, a powerful tool to detect and identify organic gunshot residues. For instance, the analyses of gunshot residues is presently performed mainly for characterizing metallic particles originating from the primer, using scanning electron microscopy coupled to energy dispersive X-ray microanalysis (SEM-EDX). However this technique has its limits and the goal of the thesis was the development of a method for the analysis of the stabilizers (and their derivatives) present in propellant powders with the use of tandem mass spectrometry coupled to high performance liquid chromatography (LC-MS/MS).<p>The introduction highlights the relations between Criminology and Criminalistics; it gives an outline of the classification of weapons, and describes how handguns, ammunitions, gunshot residues and Criminalistics can be linked when investigating criminal cases. The motivation of the analysis of organic gunshot residues and in particular the propellant powder stabilizers is also explained.<p>Chapter 1 deals in detail with the working principle of a quadrupole mass spectrometer, whether it is with a single quadrupole or composed of a tandem mass spectrometer. Important aspects connected with the ion production, the data acquisition and the ion detection are also considered.<p>Chapter 2 presents the results and discussions. It begins with the optimization of the operating conditions of the spectrometer, and focuses more specifically on the determination of “precursor ions" and "daughter ions”. The study of the precursor ion is more important because it is required for the choice of parameters involved in the data acquisition mode. The development of a liquid chromatography (LC) method and the procedures for collecting and preparing the samples are explained. Moreover, Chapter 2 summarizes the results of a feasibility study of the analyses of stabilizers in samples collected from the hands of a shooter. This study was published in a peer reviewed journal [1]. A complementary study on the frequencies of observation of stabilizers on the hands of non-shooter persons is reported at the end the Chapter.<p>The results allow also proposing perspectives which are described in Chapter 3. In this respect, the characterization of nitrocellulose residues and the study of the persistence of stabilizer residues on the hands of shooters should be undertaken. From the practical point of view, the developed methods and procedures should be tested in real cases which involve the analyses of the samples taken from the clothing of suspects and/or victims. These tests should allow an assessment of the LC-MS/MS method compared to the efficiency of the SEM/EDX technique currently used.<p>Chapter 4 is dedicated to the materials and methods; the sample collection and treatment procedures, as well as the working parameters of the mass spectrometer and the analytical methods are explained in detail. <p>[1]. Désiré Laza, Ph.D. Bart Nys, Ph.D. Jan De Kinder, Ph.D. Andrée Kirsch - De Mesmaeker, Ph.D. and Cécile Moucheron, Ph.D. Development of a Quantitative LC-MS/MS Method for the Analysis of Common Propellant Powder Stabilizers in Gunshot Residue. J. Forensic Sci, July 2007, Vol. 52, N° 4, 842-850.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished