Fin de la chaire internationale E2S sur la caractérisation moléculaire : des avancées dans la recherche sur l’énergie et l’environnement

Des avancées dans la recherche sur la caractérisation moléculaire pour l’énergie et l’environnement Fin de la chaire internationale E2S “ICMCE2”

Portée par Ryan Rodgers, chercheur à la Florida State University, et coordonnée par Brice Bouyssiere de l’Institut des Sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (IPREM, unité mixte de recherche UPPA/CNRS), la chaire internationale pour la caractérisation moléculaire dans l'énergie et l'environnement (ICMCE²) a pris fin en 2024.

Son objectif était de comprendre, grâce à la spectrométrie de masse à ultra haute résolution, les processus complexes de dégradation du carbone organique dans l’environnement. La chaire a donné lieu à de nouveaux projets de recherche, notamment avec le Departement of Energy américain et l’Université de Californie à Berkeley, et à la création d’un logiciel pour le traitement et la visualisation de données de spectrométrie de masse haute résolution.

S’appuyant sur l’expertise et les puissants appareils du Laboratoire international de caractérisation moléculaire des matrices complexes (iC2MC), la chaire avait pour but de développer l’analyse non ciblée au niveau moléculaire de systèmes complexes dans les domaines de l’énergie et de l’environnement. Il s’agissait plus précisément de comprendre les changements liés à la température dans la composition de la matière organique dissoute (“DOM”) et son potentiel de fixation des métaux.

La chaire visait également, en partenariat avec TotalEnergies, à élargir les connaissances sur la composition et la structure des composés chimiques dans les matrices complexes à base de carbone, qui joueront un rôle essentiel pour remplacer, à terme, les sources d’énergie fossiles. L’équipe a ainsi étudié la composition des pyrolysats (résidus de la pyrolyse) produits à partir de la biomasse, de plastiques et d’autres déchets à forte teneur en carbone.

Les séparations basées sur l’extrographie, une méthode combinant extraction et chromatographie, d’abord développées pour les matériaux fossiles, ont été étendues avec succès aux pyrolysats de la biomasse. Deux nouvelles méthodes de séparation des composés oxygénés polyfonctionnels ont également été mises au point.

Les travaux menés ont par ailleurs permis de comprendre la détérioration des électrodes dans les batteries nouvelle génération.

Création d’un logiciel open source

Mais pour tirer profit des résultats de spectrométrie de masse ultra haute résolution pour l’étude des nouvelles matrices complexes, des méthodes de traitement des données adaptées étaient nécessaires. Dans le cadre de la chaire, un logiciel libre baptisé PyC2MC (outils Python pour la caractérisation moléculaire de matrices complexes) a été développé. Disponible sur la plateforme GitHub depuis 2023, il met à disposition de nouvelles méthodes non supervisées et non ciblées pour le traitement des données de spectrométrie de masse dite FT-ICR-MS pour Fourier-Transform Ion-Cyclotron-Resonance Mass Spectrometry.

Jusqu’alors, les solutions logicielles commerciales présentaient des inconvénients, comme le fait d’être incapables de traiter de grands ensembles de données, de ne pas être accessibles librement, ou encore de devoir disposer d’une connaissance préalable des échantillons pour procéder à leur analyse. Cela pouvait induire des biais importants dans l’analyse et rendait le traitement d’échantillons nouveaux extrêmement complexe. La très haute résolution de l’analyse FT-ICR-MS de matrices complexes peut en effet facilement conduire à des spectres de masse contenant chacun plus de 10 000 formules moléculaires uniques. Les énormes quantités de données acquises par ce type d’instrument nécessitent donc des méthodes avancées pour aboutir à un traitement fiable.

La force du logiciel réside dans une introspection automatisée des résultats des analyses FT-ICR-MS, c’est-à-dire la capacité du programme à orienter une analyse à partir des informations progressivement révélées sur les données elles-mêmes. Elle se base sur la construction d’un réseau entre l’ensemble des formules moléculaires présentes dans le spectre simplement construit à partir des différences de masse entre les signaux. Une étude statistique approfondie permet d’extraire de nombreuses informations de manière non supervisée, comme la composition élémentaire des groupements moléculaires les plus représentatifs, l’état de charge des molécules… Ces informations permettent d’accumuler des indices sur chaque signal mesuré pour finalement identifier les molécules présentes de façon extrêmement fiable.

Enfin, le laboratoire co-organise la première édition de la conférence internationale Transition Analytics for Decarbonization (TAD), qui se tiendra du 1^er au 3 octobre 2025 à Paris dans les locaux du siège du CNRS.

 

E2S pour “Energy and Environment Solutions”E2S-UPPA est un consortium de recherche associant l’UPPA, INRAE, Inria et le CNRS ayant obtenu des fonds du Programme d’Investissements d’Avenir, devenu France 2030, grâce au label d’excellence universitaire I-SITE (Initiative Sciences, Innovation, Territoires, Économie). Entre 2017 et 2024 l’I-SITE a financé un certain nombre de projets de recherche partenariaux, dont des chaires internationales.