Les radicaux peroxyles sont des intermédiaires clés dans la chimie atmosphérique. Leurs schémas de réaction sont différentes selon si elles sont formées dans un environnement pollué (concentration de NOx élevé) ou dans un environnement propre (concentration de NOx faible). Dans la cadre de cette thèse la réaction entre les radicaux peroxyles et les radicaux OH a été étudié afin de mieux comprendre le schéma de réaction dans des environnements propres (au-dessus des océans ou la forêt tropicale). Des études cinétiques ont été effectuées à l'aide de photolyse laser couplée à la détection d'espèces radicalaires par fluorescence induite par laser (LIF, pour OH), et cavity ring down spectroscopy (cw-CRDS, pour radicaux peroxy). Les mécanismes de réaction de ces réactions ont été déterminés par des méthodes de chimie quantique, comme Gaussian-4 (G4), modèle complet de consigne de base (CBS) et CHEAT1. Deux systèmes ont été étudiés avec les techniques mentionnées ci-dessus: CH3O2 + OH et C2H5O2 + OH. Les constantes de vitesse et mécanismes de réaction pour les deux réactions ont été déterminées pour la première fois. En outre, la technique cw-CRDS a été appliquée pour mesurer le spectre d’absorption de CH3O2 et du précurseur CH3I dans la gamme de proche infrarouge. Les sections efficaces d'absorption ont été également déterminées à quelques longueurs d’onde sélectionnées pour le radical CH3O2. En outre, un test a été effectué pour assurer que la méthode de chimique quantum choisi est appropriée pour ce type de réactions radical-radical. / Peroxy radicals are key intermediates in atmospheric chemistry. Their reaction schemas are different depending if they are formed in a polluted environment (high NOx concentration) or in a clean environment (low NOx concentration). This thesis deals with the reaction between peroxy radicals and OH radicals in order to better understand the reaction scheme in clean environments (above the oceans or tropical forest). Kinetic studies were carried out using laser photolysis coupled to detection of radical species by laser induced fluorescence technique (LIF, for OH), and continuous wave- cavity ring-down spectroscopy (cw-CRDS, for peroxy radicals). Moreover, the reaction mechanisms of these reactions were determined by quantum chemical methods, such as Gaussian-4 (G4), complete basis set model (CBS) and CHEAT1. Two systems were studied with the above mentioned techniques: CH3O2 + OH and C2H5O2 + OH. The rate constant and reaction mechanism of both reactions were determined for the first time. In addition, the cw-CRDS technique was applied to measure the absorption spectrum of the CH3O2 and CH3I in the near infrared region and to determine the absorption cross sections of a few selected lines of the methyl peroxy radical. Furthermore, a method test was carried out, which ensured the appropriate quantum chemical method for these radical-radical reactions.

Cette thèse est consacrée à deux espèces atmosphériques majeures: la vapeur d'eau et l'oxygène. Le spectre d'absorption de la bande 1Delta des six isotopologues de l'oxygène vers 1.27 micron a été enregistré à température ambiante et à 80 K par la technique CW-CRDS de très haute sensibilité. La bande (0-0) permise par le dipôle magnétique est observée pour les espèces 16O2, 16O18O, 16O17O, 17O18O, 18O2 et 17O2. La sensibilité expérimentale atteinte a permis de détecter pour la première fois au laboratoire (i) des transitions quadrupolaires électriques extrêmement faibles dans la bande (0-0) de 18O2, 16O17O et 17O2, (ii) la bande chaude (1-1) de 16O2, 18O2, 16O17O et 17O2 (iii) la structure hyperfine des transitions de 16O17O, 17O18O et 17O2. Ces mesures combinées avec des données micro-ondes et Raman disponibles dans la littérature ont permis de déterminer les meilleures constantes spectroscopiques à ce jour, y compris les paramètres de couplage hyperfin de 17O pour l'état 1Delta des six isotopologues de l'oxygène. Les spectres d'absorption à très haute résolution des isotopologues D216O, HD16O et H218O de la vapeur d'eau ont été enregistrés par ICLAS et FTS entre 8800 et 14100 cm-1. L'analyse du spectre basée sur les calculs variationnels de haute précision a fourni une quantité importante de nouveaux niveaux d'énergie pour chacun des isotopologues considérés. Les niveaux d'énergie expérimentaux obtenus dans cette étude et disponibles dans la littérature ont permis de calculer des positions de raies au niveau de la précision expérimentale dans la gamme 6100-15200 cm-1 qui s'étend bien au-delà de la gamme des enregistrements présents.

The real-time detection of trace species is key to a wide range of applications such as on-line chemical process analysis, medical diagnostics, identification of environmentally toxic species and atmospheric pollutant sensing. There is a growing demand for suitable techniques that are not only sensitive, but also simple to operate, fast and versatile. Most currently available techniques, such as spectrophotometry, are neither sensitive enough nor fast enough for kinetic studies, whilst other techniques are too complex to be operated by the non-specialist. This thesis presents two techniques that have been developed for and applied to liquid-phase analysis, with supercontinuum (SC) radiation used for liquid-phase absorption for the first time. Firstly, supercontinuum cavity enhanced absorption spectroscopy (SC-CEAS) was used for the kinetic measurement of chemical species in the liquid phase using a linear optical cavity. This technique is simple to implement, robust and achieves a sensitivity of 9.1 × 10−7 cm−1 Hz−1/2 at a wavelength of 550nm for dye species dissolved in water. SC-CEAS is not calibration-free and for this purpose a second technique, a time-resolved variant called broadband cavity ring-down spectroscopy (BB-CRDS), was successfully developed. Use of a novel single-photon avalanche diode (SPAD) array enabled the simultaneous detection of ring-down events at multiple spectral positions for BB-CRDS measurements. The performance of both techniques is demonstrated through a number of applications that included the monitoring of an oscillating (Belousov-Zhabotinsky) reaction, detection of commercially important photoluminescent metal complexes (europium(III)) at trace level concentration, and the analysis of biomedical species (whole and lysed blood) and proteins (amyloids). Absorption spectra covering the entire visible wavelength range can be acquired in fractions of a second using sample volumes measuring only 1.0mL. Most alternative devices capable of achieving similar sensitivity have, up until now, been restricted to single wavelength measurements. This has limited speed and number of species that can be measured at once. The work presented here exemplifies the potential of these techniques as analytical tools for research scientists, healthcare practitioners and process engineers alike.

La haute sensibilité permise par l'emploi des cavités optiques est exploitée pour caractériser la signature spectrale de molécules d'intérêt atmosphérique. Deux méthodologies différentes sont abordées.<br />Tout d'abord, la technique CW-CRDS (Continuous Wave – Cavity Ring Down Spectroscopie) est utilisée pour étudier l'évolution avec la pression et la température des spectres atmosphériques de la vapeur d'eau dans le proche infrarouge. Cette étude, destinée à calibrer des mesures d'absorption différentielle par Lidar, entre dans le cadre de la mission WALES (Water Vapour Lidar Experiment in Space) proposée par l'Agence Spatiale Européenne. Une attention particulière est portée pour décrire et caractériser le système expérimental.<br />Ensuite, la technique OF-CEAS (Optical Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy) et ses performances pour la spectroscopie sont mises en évidence avec l'étude de la bande B de l'oxygène dans le rouge. Cette technique repose sur un schéma d'injection avec rétroaction optique (de la cavité vers le laser) qui permet d'augmenter la cohérence de son émission pour mesurer les maxima de transmission des modes même avec des cavités de haute finesse. Une configuration nouvelle permettant ces effets est proposée (la cavité Brewster). Une gamme dynamique sur la mesure d'absorption d'environ cinq ordres de grandeurs est démontrée (1e-5 à 1e-10 /cm) ainsi qu'une sensibilité < 1e-10 /cm/Hz^(1/2). Un schéma d'acquisition mode par mode est employé et permet d'exploiter la linéarité du peigne de mode pour atteindre des hautes précisions sur la fréquence. La pertinence de cette approche est mise en évidence par la mesure de « pressure shifts » de l'oxygène obtenus avec une précision absolue record inférieure à 5*1e-5 cm^(-1)/atm.

Les spectres d'échantillons naturel et enrichi en 13C du dioxyde de carbone ont été enregistrés entre 5851 et 7045 cm-1 par CW-Cavity Ring Down Spectroscopy à très haute sensibilité. Environ 8000 transitions appartenant à huit isotopologues de CO2 (12C16O2, 13C16O2, 16O12C18O, 16O12C17O, 16O13C18O, 16O13C17O and 12C18O2) ont été mesurées avec une précision estimée de 1 × 10-3 cm-1. Les paramètres spectroscopiques ont été obtenus pour un total de 238 bandes, la plupart nouvellement observées. Un certain nombre de résonances ont été observées et identifiées. Les données expérimentales disponibles dans la littérature et celles obtenues au cours de cette thèse ont été utilisées pour améliorer les paramètres du modèle effectif qui reproduit les positions avec un accord proche de leurs incertitudes expérimentales. Les intensités de 2039 et 952 raies ont été mesurées pour 13C16O2 et 12C16O2. Dans le cas de 12C16O2 la plupart des intensités mesurées appartiennent aux bandes perpendiculaires et "interdites". Ces données expérimentales, combinées à des données publiées, ont été utilisées pour améliorer les paramètres du moment dipolaire effectif de ces deux isotopologues. L'ensemble de ces paramètres reproduit les intensités mesurées aux incertitudes expérimentales près. Quatre cas de résonance interpolyade ont été observés pour la première fois dans le cas de CO2. Cette thèse apporte une contribution importante aux bases de données spectroscopiques du dioxyde de carbone : CDSD et HITRAN. Les résultats obtenus ont été intégrés dans la base de données HITRAN qui fait référence pour la physique de l'atmosphère.

Les complexes de van der Waals sont des entités constituées de différentes molécules liées par des interactions faibles (~kJ/mol). Ces agrégats présentent une réactivité particulière et jouent un rôle essentiel dans les phénomènes de solvatation et nucléation. Des moyens expérimentaux et théoriques pour étudier les complexes de van der Waals et en particulier ceux contenant de l’acétylène ont donc été développés dans ce travail. Nous avons utilisé et amélioré un montage expérimental appelé FANTASIO+ (Fourier trANsform, Tunable diode and quadrupole mAss spectrometers interfaced to a Supersonic expansIOn). Ce montage, composé d’un jet supersonique et d’un spectromètre à temps de déclin permet la production et la détection de ce genre de complexes. Le jet supersonique consiste en une détente adiabatique d’un gaz et assure par refroidissement à quelques Kelvins la production de complexes. La spectrométrie à temps de déclin mesure l’absorption d’un laser infra-rouge par ces molécules cibles assurant ainsi leur détection. <p>Une diode laser nous a permis d’exciter deux fois l’étirement CH de l’acétylène. Nous avons pu détecter et analyser le spectre de vibration-rotation des complexes suivants :C2H2-Ne, C2H2-Ar, C2H2-Kr, C2H2-CO2, C2H2-N2O, et C2H2-C2H2. La molécule C2H2-CO2 et des isotopologues de C2H2-C2H2 ont également été étudiés à plus basse énergie durant un séjour à Calgary au Canada. Nos études ont démontré que ces complexes restaient liés à une énergie pouvant aller jusqu’à 130 fois l’énergie d’interaction entre les deux monomères. L’obtention de données à haute résolution spectrale permet également d’obtenir des données de références pour la validation de modèles théoriques et la planétologie. En particulier, la première détection de C2H2-Kr permettra peut-être une future observation de cet agrégat dans des atmosphères planétaires comme par exemple Titan. <p>Pour avoir une approche globale de ces systèmes nous nous sommes tournés vers les outils de la chimie quantique pour caractériser l’interaction entre les entités du complexe. Des tests méthodologiques approfondis nous ont permis d’évaluer avec exactitude les surfaces d’énergie potentielle intermoléculaire des complexes contenant une molécule d’acétylène et un atome de krypton ou de xénon. <p><p>van der Waals complexes are molecular systems in which the units or molecules are held together by weak interactions (~kJ/mol). These complexes present a peculiar reactivity and play a critical role in solvation and nucleation. Theoretical and experimental means were developed in this work to study such systems and in particular, complexes containing acetylene. In the context of this work the FANTASIO+ (Fourier trANsform, Tunable diode and quadrupole mAss spectrometers interfaced to a Supersonic expansIOn) experimental set-up was used and improved. This set-up, composed of a supersonic expansion and a cavity ring-down spectrometer, provides a way to produce and detect these complexes. The supersonic expansion is an adiabatic expansion which produces the complexes by cooling of the gas to few Kelvin. The CRDS set-up detect those complexes by infra-red laser absorption.<p>Using laser diode to doubly excite the CH stretch of acetylene, one then succeeded to observe and analyze the ro-vibrational spectra of the following complexes: C2H2-Ne, C2H2-Ar, C2H2-Kr, C2H2-CO2, C2H2-N2O, et C2H2-C2H2. The C2H2-CO2 and isotopologues of C2H2-C2H2 were also studied at lower energy during a three months stay in Calgary, Canada. Our studies demonstrated that complexes stayed bound even at an energy 130 times higher than the energy holding the entities together. The high resolution data obtained during this work is also useful to validate theoretical models and planetology. The first detection of the C2H2-Kr complex, in particular, could allow its future detection in other atmospheres, i.e. on Titan.<p>To have a global approach to these systems, the quantum chemistry tools were used to characterize the interaction between the partners of the complexes. Numerous methodological tests allowed us to accurately evaluate the intermolecular potential energy surfaces of the complexes containing an acetylene molecule and a krypton or a xenon atom. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Cavity ring-down spectroscopy (CRDS) and cavity enhanced absorption spectroscopy (CEAS) are two well-established absorption spectroscopic techniques originally developed for gas-phase samples. Condensed-phase applications of these techniques still remain rare, complicated as they are by additional background losses induced by condensed-phase samples as well as the intracavity components in which the sample is constrained. This thesis is concerned with the development and application of optical-cavity-based techniques in the condensed phase. Polarization-dependent evanescent wave CRDS (EW-CRDS) has been used to study the molecular orientation at the solid/air and solid/liquid interfaces. An increase in average orientation angle with respect to the surface normal has been observed for both methylene blue and coumarin molecules as a function of coverage at the fused silica/air interface. An orientation-angle-dependent photobleaching of pyridin molecules at the fused silica/methanol interface have also been observed. EW-CRDS has also been used to monitor slow in situ photobleaching of thin dye films deposited on the prism surface. The photobleaching dynamics is interpreted as a combination of first- and second-order processes. A significant fraction of this thesis has been devoted to studying magnetic field effects (MFEs) on the kinetics of the radical pair (RP) reactions in solution, in an effort to understand the ability of animals to sense the geomagnetic field. Two novel optical-cavity-based techniques – broadband CEAS (BBCEAS) and CRDS have been developed for this purpose. BBCEAS uses a supercontinuum (SC) source as the cavity light source and a CCD camera as photodetector, enabling simultaneous acquisition of absorption spectrum across the whole visible region (400 – 800 nm). In CRDS, a tunable optical parametric oscillator has been used as the cavity light source. Combined with the switching of external magnetic field (SEMF) method, this technique allows the decay kinetics of the geminate RPs to be monitored, with nanosecond resolution. Both BBCEAS and CRDS provide sensitivity superior to single-pass transient absorption (TA), a technique traditionally used in the MFE studies. A series of photochemical systems have been studied by BBCEAS and CRDS, respectively, among which, the MFEs of drosophila melanogaster cryptochrome has been observed. Importantly, this is the first time an MFE has been observed in an animal cryptochrome, and provides key supporting evidence for the cryptochrome hypothesis of magnetoreception in animals. Besides the optical-cavity-based techniques, a novel fluorescence detection method of MFEs has also been demonstrated. This technique proved ultrahigh sensitivity when applicable.

La spectroscopie d'absorption par mesure du temps de vie des photons piégés dans une cavité optique haute-finesse, ou Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS), compte parmi les outils de diagnostic optique les plus sensibles. L'excitation « mode matchée » d'un laser continu rapidement et continûment balayé (~4 THz.s-1 durant ~2 ms), i.e. la cw-CRDS monomode rapide, garantit à la technique ses meilleures performances en termes de limites de détectivité avec, en contrepartie, des points de mesures séparés de l'Intervalle Spectral Libre du résonateur (ISL=c/2L) : le dosage d'environnements basse pression requiert de longues cavités. Cette étude originale propose de mettre à profit la structure transverse du résonateur afin de rendre possible la miniaturisation du dispositif de cw-CRDS rapide. L'excitation multimode d'une cavité fractionnellement dégénérée (dite de taille « magique »), ici présentée, permet de bénéficier d'un gain d'échantillonnage spectral qui vaut l'ordre réentrant N employé. Nous développons deux schémas d'injection multimode : l'injection multimode axiale et l'injection multimode réentrante, dite dans ce dernier cas hors de l'axe optique, de telles cavités et nous en étudions les principales différences. Une étude détaillée du champ intracavité existant aux N résonances constitutives de l'ISL est proposée afin de rendre compte des limites de détectivités associées à ces deux schémas d'injection multimode sensiblement distincts. Une seconde partie de ce travail de thèse est dédiée à caractériser de façon approfondie l'observation des profils spatiaux intracavités formés en injection hors axe lorsque la cavité souffre d'un faible astigmatisme (ΔR/R~2 %) : on parle de profil de Lissajous. Cette étude rend compte des mécanismes fondamentaux, telle la coïncidence particulière de modes particuliers par dispersion modale, qui aboutissent en un intervalle millimétrique de dégénérescence. Celui-ci est le siège d'une succession de profils transverses de Lissajous symétriques les uns des autres de part et d'autre d'une taille particulière de cavité : nous en précisons les causes. Le résiduel astigmatisme ainsi mis en évidence et mesuré permet, en outre, d'expliquer la disparition des oscillations Doppler normalement présentent en début de décroissance ring down dans ce type d'injection dynamique. De façon connexe, nous développons plusieurs types de cellules multipassages non-résonantes comme alternative à la CRDS pour le dosage d'environnements hostiles.

The role of clusters in planetary atmospheres and the interstellar medium is potentially important. Investigating such a role requires basic experimental information, however lacking. The goal of this thesis was to develop an efficient experimental set-up to produce clusters in the laboratory in concentrations large enough to allow their high resolution spectra to be recorded, thus providing the necessary data allowing the physico-chemical properties of the clusters to be studied. The study of this subject however suffers from the lack of basic experimental data. The goal is therefore to produce clusters in the laboratory in concentration large enough to record their high resolution spectrum. This is the initial aim of the present thesis. During this work, we have built and extensively tested a new experimental set-up called FANTASIO (``Fourier trANsform, Tunable diode and quadrupole mAss spectrometers interfaced to a Supersonic expansIOn'). With the help of this new device, various experiments on jet-cooled species have been performed. The cartography of the supersonic expansion was established, using the mass spectrometer as a moving pressure probe. This enabled us to characterize the geometrical properties of the supersonic jet produced by circular and slit nozzles and to determine the position of the virtual nozzle. The effect of the axisymmetric expansion geometry on the R(0) lineshape in the nu_3 band of N_2O, recorded by FTIR, was also investigated. The rotational temperature of the jet-cooled molecules was determined to be a few K by measuring the intensity of lines in spectra recorded by FTIR spectroscopy. Vibrational energy transfer occuring in the expansion between N_2O molecules and different collision partners was investigated on the nu_2+nu_3-nu_2 band of N_2O, again using FTIR spectroscopy. The trend of these transfers was found to be related to the energy difference between the v_2=1 level of N_2O and the closest vibrational state in the collision partner, with the largest population. The sensitivity of the set-up was enhanced by a factor of 5 by increasing the absorption path length, using a multipass system. A procedure to remove the residual gas contribution from the IR spectra was developped, based on the mass spectrometer. Thanks to this sensitivity increase, broadband absorption features of clusters were observed for a C_2H_2-Ar mixture in circular and slit expansions. The optical sensitivity of FANTASIO was again increased by the implementation of the CW-CRDS system. The enhancement over FTIR was calculated to be over a factor 750. Thanks to this drastic improvement, spectral signatures of various clusters were recorded, such as C_2H_2-Ar, C_2H_2 multimers, C_2H_2-N_2O and C_2H_2-CO_2, at high resolution. The role of clustering in generating unusual line shapes of acetylene in an axisymmetric expansion was investigated. We demonstrated that C_2H_2 aggregates produced in the expansion are responsible for central dips observed in the monomer absorption. These acetylene clusters thus appear to be formed in the centre of the expansion, while, unexpectedly, acetylene-Ar complexes are formed at the edge of the conical expansion. Various research prospects were explored during this thesis thanks to the FANTASIO device, opening new research directions. FANTASIO is today operational and defines a useful tool to achieve the study of small clusters by infrared spectroscopy./ Le rôle des agrégats dans les atmosphères planétaires et dans le milieu interstellaire est potentiellement important. Cependant, les études sur ce sujet souffrent du manque de données expérimentales. Le but de cette thèse était de développer un dispositif expérimental efficace pour produire au laboratoire des agrégats en quantité suffisante pour permettre l'enregistrement de leur spectre infrarouge à haute résolution et donc l'étude de leurs propriétés physico-chimiques. Durant ce travail, nous avons construit et testé un nouveau dispositif expérimental appelé FANTASIO, basé sur un jet supersonique couplé à un spectromètre de masse, un spectromètre à transformée de Fourier et un système CRDS. Grâce à cet appareillage, différentes expériences sur des molécules à basse température ont été menées. L'expansion supersonique a été cartographiée en utilisant le spectromètre de masse comme une sonde de pression mobile. Cette cartographie nous a permis d'établir les propriétés géométriques des jets supersoniques produits par les orifices circulaire et de type fente, et de déterminer la position de l'orifice virtuel. L'effet de la géométrie de l'expansion sphérique sur le profil de la raie R(0) de la bande nu_3 de N_2O, enregistré par FTIR, a aussi été étudié. Une température rotationnelle de quelques K a été déterminée pour les molécules refroidies en jet supersonique par mesure de la distribution d'intensité de raies dans les spectres enregistrés par FTIR. Le transfert d'énergie vibrationnelle entre des molécules de N_2O et différents partenaires collisionnels a été étudié en analysant l'intensité de la bande nu_2+nu_3-nu_2 de N_2O, enregistré également par spectroscopie FTIR. Il a été trouvé que la tendance de ces transferts est liée à la différence d'énergie entre le niveau v_2=1 de N_2O et l'état vibrationnel le plus proche et le plus peuplé du partenaire collisionnel. La sensibilité du dispositif a été augmentée d'un facteur 5 dû à l'allongement du chemin d'absorption, grâce à l'utilisation d'un système multipassage. Une procédure basée sur l'utilisation du spectromètre de masse et visant à enlever la contribution du gaz chaud résiduel dans les spectres infrarouges a été mise au point. Grâce à cette augmentation de sensibilité, des structures d'absorption non résolues d'agrégats ont été observées dans des expansions en trou et en fente d'un mélange de C_2H_2-Ar. La sensibilité optique de FANTASIO a encore été augmentée par l'ajout au dispositif d'un système CW-CRDS. L'amélioration par rapport au spectromètre à transformée de Fourier a été calculée comme étant supérieure à un facteur 750. Grâce à cette importante amélioration, les signatures spectrales de divers agrégats, tels que C_2H_2-Ar, des multimères de C_2H_2, C_2H_2-N_2O et C_2H_2-CO_2, ont été enregistrées à haute résolution. Le rôle de l'agrégation dans la génération de profils de raie inhabituels dans une expansion en trou de l'acétylène a été étudié. Nous avons démontré que les agrégats de C_2H_2 produits dans le jet supersonique sont responsables des creux observés dans le profil d'absorption du monomère. Ces agrégats apparaissent donc comme étant formés au centre de l'expansion, tandis que, de manière inattendue, les agrégats de C_2H_2-Ar sont formés aux bords de l'expansion conique. Plusieurs idées de recherche ont été explorées durant cette thèse grâce au dispositif FANTASIO, ouvrant de nouvelles directions de recherche. FANTASIO est aujourd'hui opérationnel et se présente comme un outil utile dans l'étude des petits agrégats par spectroscopie infrarouge.