Search for organic compounds with MTBSTFA/DMF derivatization and TMAH thermochemolysis on Mars - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Search for organic compounds with MTBSTFA/DMF derivatization and TMAH thermochemolysis on Mars

Application de la dérivatisation au MTBSTFA/DMF et de la thermochémiolyse au TMAH à la recherche in situ de composés organiques martiens

Résumé

Searching for life biosignatures on Mars has been a very popular topic in the world. The Mars Organic Molecule Analyzer (MOMA) and Sample Analysis at Mars (SAM) instruments onboard the Exomars 2022 and Mars Science Laboratory rovers, respectively, are capable of organic matter detection and differentiating potentially biogenic from abiotic organics in Martian samples. To identify organics, these instruments both utilize Pyrolysis-Gas Chromatography coupled to Mass Spectrometry (Pyr-GC/MS), and thermochemolysis using the reagent tetramethylammonium hydroxide (TMAH) and derivatization using a mixture of N-tert-butyldimethylsilyl-N-methyltrifluoroacetamide (MTBSTFA) and N,N-dimethylformamide (DMF). Both thermochemolysis and derivatization help to increase organic volatility of labile and refractory compounds. However, with the detection of chloride-bearing compounds on Mars, MTBSTFA/DMF, which is leaking on SAM, was considered as a possible carbon source of some organics that have been detected on Mars. Therefore, the reagent byproducts following degradation, both in the presence of and the absence of perchlorates, are proposed as a data reference, as well as possible routes of reagent degradation.In addition to MTBSTFA, TMAH is also used to search for organic compounds that could possibly be bioindicators and biosignatures in Martian samples. Deoxyribonucleic acids (DNA) as an information carrier and ribonucleic acid (RNA) form the basis for life on Earth. However, the optimal experimental conditions for the detection of DNA or RNA fragments and other organic compounds important to Earth life were poorly understood. Therefore, in this thesis, the building blocks of nucleic acids, such as nucleobases, nucleosides, nucleotides, PolyA, andbacteria were analyzed by Pyrolysis-GC/MS with TMAH thermochemolysis using a SAM-like ramp and flash pyrolysis at different temperatures (from 100 to 600 °C). The methylated nucleobases, ribose, and phosphate were detected at the highest intensities at 200 and 300 °C, respectively. Methylated adenine and adenosine are the main thermochemolysis products of Poly A. In addition, bacteria such as E. coli were also analyzed with TMAH thermochemolysis. Results demonstrated that TMAH thermochemolysis is able to characterize the fragments of DNA and RNA even at high temperatures with a limit of detection lower than 104 cells of E.coli.TMAH thermochemolysis was also applied to analyze the organic compounds from natural samples such as bacterial cells. The important organic compounds of extremophile bacteria have been studied and the thermochemolysis temperatures were optimized. The extremophile bacteria include cyanobacteria (Chroococcidiopsis cubana), anctinobacteria (Rubrobacter radiotolerans), and halophilic Archaea (Halobacterium salinarum). DNA or RNA fragments could be detected, with Adenine-derivatives being the easiest to detect and with the highest abundance compared with other nucleobases. However, the main compounds and the most detectable organic compounds from these natural samples are fatty acids. Glucopyranoside is one of the most important target compounds from the three extremophile bacteria used herein. Results demonstrated that TMAH thermochemolysis could be an efficient chemical method to detect life signatures on other planets for future missions.
La recherche de biosignatures sur Mars fait parti des sujets scientifiques populaire à la fois dans le grand publique mais également au sein de notre communauté scientifique. Les instruments Mars Organic Molecule Analyzer (MOMA) et Sample Analysis at Mars (SAM) respectivement à bord des rovers Rosalind Franklin (Exomars 2022) et Curiosity (Mars Science Laboratory), sont capables de détecter la matière organique présente en surface et subsurface à des concenrtations inférieures au ppb. Afin d’identifier la matière organique, ces deux instruments utilisent la pyrolyse couplée à de la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (Pyr-GC/MS). Afin d’analyser la matière organique refractaire les agents de thermochémiolyse, le tétraméthylammonium hydroxyde (TMAH) et de foncitonnalisation, le N-tert-butyldiméthylsilyl-N-méthyltrifluoroacetamide (MTBSTFA) mélangé avec son solvant le N,N-dimethylformamide (DMF) sont utilisés. Cependant, la mise en évidence récente de composés fortement oxydant (perchlorate) à compliqué l’analyse des résultats obtenus par l’expérience SAM. En efet, le MTBSTFA/DMF, en plus de ses sous produits de décomposition peut réagir à haute température avec les perchlorates présents dans le sol martien. Le mélange MTBSTFA/DMF est donc une possible source de carbone correspondant à certains composés organiques qui ont été détectés sur Mars par SAM. Par conséquent, les sous-produits de la dégradation des réactifs avec et sans perchlorates ont été listés et référencés, et des voies possibles de dégradation des réactifs ont été proposées.La thermomchémolyse au TMAH a recemment étéutilisé à bord de SAM pour analyser un echantillon prélévé à GR. Afin d’aider à l’interprétation de ces nouveaux resultats nous avons utilisé la thermochemiolyse au TMAH pour analyser des composés organiques d’intéret pur et d’autres contenus dans des échantillons naturels. Parmis les composés organiques testés nous avons inclus des biosignatures telles que les acides deoxyribonucleique (ADN) et ribonucleique (ARN) qui ont certainement été à la base de la formation de la vie sur Terre. Nous les avons étudiées seules et encapsulées dans leur cellule afin de mimmer au plus prês leurs conditions naturelles. Les températures de thermochimolyse ont alors été étudiées et optimisées. Les bactéries extrémophiles étudiées dans ce travail comprennent les cyanobactéries (Chroococcidiopsis cubana), les anctinoctériens (Rubrobacter radiotolerans) et l’archée halophile (Halobacterium salinarum). Des fragments d’ADN ou d’ARN ont alors été détectés. Parmis eux les dérivés de l’adénine sont les plus faciles et ont la plus grande abondance par rapport aux autres nucléobases. Cependant, les principaux composés détectés dans ces échantillons naturels sont les acides gras tels que le glucopyranoside, l’un des composés détectés majoritairement dans les trois bactéries extrémophiles utilisées. Les résultats ont démontré que la thermomchémolyse au TMAH pouvait être une méthode chimique efficace pour détecter des signatures de vie sur Mars et d’autres planètes lors de futures missions spatiales.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03228713 , version 1 (18-05-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03228713 , version 1

Citer

Yuanyuan He. Search for organic compounds with MTBSTFA/DMF derivatization and TMAH thermochemolysis on Mars. Chemical and Process Engineering. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPAST003⟩. ⟨tel-03228713⟩
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