Influence des bulles sur les arômes. Concours général  2016.

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On souhaite étudier l’influence des bulles sur les arômes perçus par le dégustateur. On peut supposer que les molécules odorantes, dont beaucoup ont des propriétés tensio-actives, vont s’accrocher aux bulles lors de leur ascension, puis être dispersées dans l’air lorsque les bulles éclateront. L’idée est donc d’analyser la composition chimique du Champagne au coeur de la flûte et celle des gouttelettes au-dessus de la surface du liquide, par le biais d’un spectromètre de masse dont on va d’abord étudier le principe.
a) Principe de la spectrométrie de masse par transformée de Fourier.

Tout spectromètre de masse est composé de plusieurs blocs :
• un système d’introduction de l’échantillon : il peut être introduit sous forme gazeuse, liquide, solide, ou encore associé à une méthode séparative telle que la chromatographie ;
• une source d’ionisation : elle consiste à vaporiser les molécules et les ioniser, soit positivement, soit négativement ;
• un analyseur : il sépare les ions en fonction de leur rapport masse/charge (souvent représenté directement sous la forme m / z avec z tel que la charge portée par la molécule soit Q = ze avec e la charge élémentaire) ;
• un détecteur : il permet de retranscrire la séparation des ions et leur proportion.

On va étudier un système d’analyse basé sur un piège de Penning, encore appelé cellule ICR (cellule à résonance cyclotronique ionique), qui consiste à confiner des ions dans une zone restreinte de l’espace grâce à des champs électriques, puis à appliquer un champ magnétique

Un champ magnétique entraîne sur une particule chargée une force appelée force magnétique de Lorentz dont l’expression est :


 70. Quelles sources de champ magnétique connaissez-vous ? Le champ utilisé ici est très intense et vaut B0 = 12,0 ± 0,1 T. Connaissez-vous un dispositif à même de réaliser un tel champ ?
Les aimants artificiels ou naturels, les électroaimants sont des sources de champ magnétique.
Des électroaimants à bobinage ( solénoïde ) mettant en oeuvre des matériaux supraconducteurs ou utilisant un dispositif de refroidissement du bobinage, utilisant des renforts mécaniques extérieurs( lutte contre la pression magnétique) permettent d'atteindre 30 T.
71. En appliquant la deuxième loi de Newton à l’ion, montrer que la norme de la vitesse est constante et exprimer la vitesse angulaire wB associée au mouvement circulaire en fonction de B0, e et m / z.
Dans le repère de Frenet écrire la seconde loi de Newton sur l'axe n.
La particule chargée n'est soumise qu'à la force de Lorentz, centripète.
d'où |q|vB0= m v 2/ r  avec wB = v /r et |q| = ze.
v = z eB0 r / m = constante pour un ion donné.
wB  = z eB0 / m.
 72. Que peut-on en déduire pour le mouvement des différents ions issus d’un même prélèvement ?
Le mouvement d'un ion est circulaire uniforme de rayon r = mv / (
z eB0).
Le rayon de la trajectoire dépend de la masse et de la charge de l'ion.
Afin de détecter ces ions, on utilise le fait que des particules chargées, en se déplaçant, induisent un courant électrique, lui-même à l’origine d’un champ magnétique. Par un dispositif non décrit ici, on peut récupérer un signal électrique image de l’intensité du champ magnétique produit : il s’agit pour un ion d’un signal sinusoïdal amorti faiblement au cours du temps dont la pulsation n’est autre que
wB.





73. Mesurer la période du signal en évaluant l’incertitude.
T = 1,2 ±0,02 µs
74. Après avoir rappelé le lien entre pulsation et période, en déduire la valeur de m /z. On l’exprimera en unité de masse atomique
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wB = 2 p/T ;  wB  = z eB0 / m ; m / z = e B0 T / (2p).
m / z = 1,6 10-19*12,0 *1,2 10-6 / 6,28 = 3,66 10-25 kg.
3,66 10-25 / (1,661 10-27 )~220,8 u.
75. Calculer alors l’incertitude-type sur m / z.. Discuter de la valeur obtenue,à la lueur de la figure 11 représentant un spectre réalisé par ce type de technique.
[u(m/z) / (m/z)]2 =[u(B0) / B0]2 + [u(T) / T]2 = [0,1 / 12]2 +|0,02/1,2]2 =3,47 10-4 ;
u(m/z) / (m/z) ~2 10-2.
m / z =221 ± 0,02 u.
Cette valeur est peu précise au regard de la précision apportée par la transformée de Fourier.









b) Mesures réalisées sur du champagne.
En réalité un grand nombre de ces signaux se superposent au cours du temps, lorsque l’échantillon à analyser est composé de plusieurs espèces chimiques. On ne peut plus étudier temporellement le signal électrique, on a alors recours à la transformée de Fourier, qui permet à partir d’un signal temporel de remonter à l’ensemble des fréquences composant un signal et leur importance respective. Après conversion entre fréquence et m /z, on peut donc représenter une proportion relative des différents rapports m / z.. Sont représentés ci-dessous différents résultats selon que l’analyse par spectrométrie de masse a été effectuée au coeur de la flûte ou au-dessus du liquide.

76. Analyser les différents spectres et indiquer les valeurs de m/z dont l’amplitude est particulièrement différente.
m/z = 225 : les pics à 225,1496 et 225,1860 ont des amplitudes très différentes. 
m/z = 227 : le pic à 227,2016 a une amplitude très différente.
Ces derniers prédominent dans les gouttelettes de champagne et sont pratiquement absents au coeur de la flûte.
77. A partir des données suivantes, conclure quant à l’influence des bulles sur les arômes que l’on est susceptible de capter par l’odorat.
C14H26O2 Acide myristoléique (arôme herbacé)
C13H22O3 Blumenol B (arôme fruité)
C14H28O2 Acide tétradécanoïque (acide gras)
Ces trois arômes sont présents seulement dans les gouttelettes et sont susceptibles d'être capter par l'odorat.
78. Que pourra-t-on constater qualitativement d’un point de vue olfactif pour un champagne versé dans une flûte depuis une vingtaine de minutes ?
Un champagne versé dans une flûte depuis une vingtaine de minutes ne contient pratiquement plus de bulles de dioxyde de carbone et encore moins de gouttelettes au dessus du liquide.



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