Spectromètre d’Absorption Atomique en flamme et four pour l’analyse des concentrations en cations (Al, As, Ba, Ca, Cr, Co, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Pt, Sb, Sn, Sr, Zn)

Description de l’instrument

Le spectromètre d’Absorption Atomique (Agilent Technologies AAS 240 FS et GTA 120) permet de mesurer les concentrations de nombreux éléments. En fonction des concentrations des solutions, il peut être utilisé en mode flamme ou en mode four. Il est muni de diluteurs automatiques (flamme/four) et de passeurs automatiques (flamme/four).

Principe de l’analyse

Un échantillon liquide est injecté sous forme de brouillard dans une flamme (en mode flamme) ou une goutte est déposée dans un four (en mode four). La chaleur vaporise les éléments contenus dans l’échantillon et excite leurs atomes. Ceux-ci perturbent un signal lumineux en diminuant son intensité (absorption) ou en émettant des photons (émission). La lumière émise par une (des) lampe(s) à cathode creuse ou par les électrons des atomes excités est envoyée via un jeu de miroir et un réseau cristallin jusqu’à un détecteur qui effectue une mesure optique du signal comparé à un signal de référence non-perturbé. La différence d’intensité lumineuse est proportionnelle à la concentration de l’élément dans la solution. La calibration est faite en injectant une solution étalon diluée par l’appareil pour obtenir la gamme adéquate. Voir principe de la mesure ici : http://spin.mines-stetienne.fr/sites/default/files/specatom.pdf

Analyses réalisées sur l’instrument

• Cations majeurs (Ca, Mg, Na et K) entre 0,05 et 100 ppm en flamme avec une précision de +/- 5% ;
• Métaux (Al, As, Ba, Cr, Co, Cu, Fe, Li, Mn, Mo, Ni, Pb, Pt, Sb, Sn, Sr, Zn) entre 0,01 et 1000 ppm en flamme selon les éléments et de quelques dizaines de ppt à quelques dizaines de ppb en mode four pour certains éléments avec une précision de +/- 5% ;
• Uniquement des solutions liquides (filtrées et acidifiées) mais possibilité de faire les mesures sur des mises en solutions par attaques acides de roches, de sédiments ou d’autres échantillons solides.

Contacts

Gaël Monvoisin : 01.69.15.71.74 / gael.monvoisin[a]universite-paris-saclay.fr

Financements

CNRS – INSU / Université Paris-Sud : AAS flamme Année 2010 – AAS four Année 2012

Description de l’instrument :

Spectromètre de masse IRMS ISOPRIME 100 est couplé à une ligne d’extraction spécifique à ce type d’analyse. L’ensemble a été mis en service en 2012. Ce spectromètre est de type Dual Inlet. Il est dédié à l’analyses des clumped isotopes (D47) des (bio)carbonates et en particulier des foraminifères spélépthèmes Les précisions sont de l’ordre de 10ppm sur la mesure du D47. La quantité de matériel nécessaire pour une mesure est de l’ordre de 1-3 milligrammes.

Principe de l’analyse :

http://daeron.fr/wiki/doku.php?id=papers#theory_methods_and_calibration

Analyses réalisées sur l’instrument :

Mesure du D47 sur matrice carbonatée.

Contacts :

M. Daëron-D : mathieu.daeron[a]lsce.ipsl.fr

D. Blamart : dominique.blamart[a]lsce.ipsl.fr

Description de l’instrument :

Spectromètre de masse IRMS ISOPRIME 100 est couplé à une ligne d’extraction. L’ensemble a été mis en service en 2014. Ce spectromètre est de type Dual Inlet. Il est dédié à l’analyses des (bio)carbonates, et en particulier les foraminifères benthiques et planctoniques. Les précisions sont de l’ordre de 0,08 et 0,05 respectivement pour l’oxygène et le carbone. La quantité de matériel nécessaire pour une mesure est de l’ordre de 15-200 microgrammes. La spécificité de ce spectromètre est la possibilité de mesurer un seul foraminifère (15 microgrammes).

Principe de l’analyse :

http://en.wikipedia.org/wiki/Isotope-ratio_mass_spectrometry

Analyses réalisées sur l’instrument :

Analyses isotopiques des carbonates, isotopes du carbone et de l’oxygène.

Contacts :

D. Blamart : dominique.blamart[a]lsce.ipsl.fr

P. Richard : patricia.richard[a]lsce.ipsl.fr

Description de l’instrument :

Spectromètre de masse IRMS GV ISOPRIME couplé à une ligne d’extraction. Il a été mis en service en 2006. Ce spectromètre est de type Dual Inlet. Il est dédié à l’analyses des (bio)carbonates : foraminifères bentiques et planctoniques, poudre de carbonates (spéléothèmes par exemple)... Les précisions sont de l’ordre de 0,08 et 0,05 respectivement pour l’oxygène et le carbone. La quantité de matériel nécessaire pour une mesure est de l’ordre de 40-100 microgrammes.

Principe de l’analyse :

http://en.wikipedia.org/wiki/Isotope-ratio_mass_spectrometry

Analyses réalisées sur l’instrument :

Analyses isotopiques des carbonates, isotopes du carbone et de l’oxygène.

Contacts :

D. Blamart : dominique.blamart[a]lsce.ipsl.fr

P. Richard : patricia.richard[a]lsce.ipsl.fr

MC-ICPMS Neptune ^Plus Thermofisher Scientific

		(couplage LA-MC-ICPMS)
MC-ICPMS Neptune Plus (2010)		Laser ESI –NWR 193 nm (2011)

Description de l’instrument :

           Le MC-ICPMS Neptune^Plus est un spectromètre de masse à source « Plasma » d’argon (ICP) doté d’une double focalisation (champ électrostatique + champ magnétique) et d’une multi-collection (MC). Ce spectromètre de masse permet de caractériser avec une grande précision les systèmes isotopiques stables, radiogéniques ou radioactifs de nombreux éléments chimiques du Tableau Périodique présents dans des archives naturelles (eaux, carbonates, apatites, sédiments, sols, roches, etc.). Sa forte capacité d’ionisation liée à la source « Plasma » d’argon lui confère une grande sensibilité. Sa double focalisation assure une bonne transmission du faisceau d’ions et nous offre la capacité de travailler à basse, moyenne ou haute résolution (suppression de certaines interférences isobariques). Enfin son système de multi-détection, de grande stabilité, permet d’obtenir une excellente précision analytique sur les rapports isotopiques (reproductibilité externe allant de quelques dizaines de ppm au sub-‰ selon les systèmes isotopiques). Autre avantage, la source « plasma », ouverte à l’atmosphère, nous offre la possibilité d’introduire et d’analyser des échantillons sous forme liquide après chimie (micro-nébuliseurs, systèmes APEX ou ARIDUS) ou directement sur solides (couplage Ablation Laser). Ses principaux domaines d’application sont la géochronologie (datation U-Th), la géochimie marine et la paléocéanographie (isotopes du Pa, Th, U, Ra, Nd), l’étude du cycle de carbone dans l’océan et l’impact de l’acidification des océans (isotopes du B, Th, Si), le traçage de sources naturelles & anthropiques, des applications en archéologie ou encore la caractérisation isotopique de roches volcaniques ou sédimentaires (isotopes du Nd, Sr, Pb voire Cu, Zn, Fe).

Principe de l’analyse :

            En solution, l’échantillon est aspiré et injecté par un nébuliseur sous forme de spray au cœur d’une source « Plasma » d’argon à 6000-8000°K sous pression atmosphérique. A cette température, les éléments présents sont ionisés. Transférés par une interface (cônes échantillonneur & écrêteur), les ions sont accélérés sous vide primaire puis secondaire pour former un faisceau d’ion (énergie finale pouvant atteindre 10keV). Le faisceau est alors filtré en énergie (secteur électrostatique), puis en masse (secteur magnétique) selon le rapport m/z. En sortie du filtre en masse, les isotopes sont détectés par un système de multi-collecteurs doté de 15 détecteurs (9 cages de Faraday, 1 SEM et 5 CDD). Les isotopes sont alors mesurés simultanément sur plusieurs détecteurs permettant d’obtenir des rapports isotopiques de grande précision. Les précisions (ou reproductibilités externes) obtenues sur cage de Faraday pour les rapports isotopiques proches de l’unité sont de l’ordre de quelques dizaines de ppm pour les isotopes du Sr, Nd, de 0,05 à quelques 0,1 ‰ pour les isotopes du Li, B ou de l’ordre du 1 ‰ pour les systèmes de faible rapport isotopique, de l’ordre de 10^-6 (isotopes de l’U et du Th). Le faisceau d’ion en cage centrale peut basculer sur le compteur d’ions central (SEM) si le signal est trop faible permettant par exemple de mesurer les isotopes ²³⁰Th et ²³⁴U indispensables pour la datation U-Th. Pour certains systèmes isotopiques tels que ceux du Si, Fe ou plus généralement les métaux de transition, les mesures sont réalisées en haute résolution afin de séparer les isotopes analysés des potentielles interférences isobariques. Dans cette configuration, la taille du faisceau est diminuée en entrée grâce à un système de fente ce qui permet d’augmenter le pouvoir de résolution d’un facteur 10.

Les mesures isotopiques par MC-ICPMS sont relatives et nécessitent de faire référence à des standards du laboratoire ou internationaux dont les valeurs isotopiques sont connues et/ou certifiées (NIST). La méthode dite d’encadrement « bracketing » est généralement utilisée pour caractériser précisément la composition isotopique d’un élément étudié et prendre en compte les dérives instrumentales. Il est possible d’introduire dans la source plasma des solutions purifiées préalablement en salle blanche mais également un flux de gaz d’hélium entrainant des aérosols. Des mesures isotopiques de certaines éléments comme le Sr, le B ou l’U dans les carbonates peuvent être réalisées après couplage avec l’ablation laser Excimer NWR193 nm.

Périphériques ou autres particularités

• Nébuliseurs type PFA 20, 50 ou 100 µL/min et chambre micro-cyclonique (solutions) ;

• Systèmes de dé-solvatation APEX Omega et Omega HF et ARIDUS II + QuickWash (gain en sensibilité par un facteur 2 à 10 selon les éléments ; solutions) ;

• Jet-Interface installée en 2014 (gain en sensibilité, facteur 2 à 5 selon les éléments, solutions) ;

• Système d’ablation laser Excimer ESI – NWR 193 nm (mesures in-situ, aérosols issus de solides).

Analyses réalisées sur l’instrument :

Solutions (après chimie)

• Isotopes de l’U, du Th, du Pa, du Ra (datations U-Th, géochimie marine ou continentale) ;
• Isotopes du Sr, du Nd dans différentes matrices naturelles (traçage de sources, érosion, dynamique océanique, études archéologiques) ;
• Isotopes du B et du Li dans les carbonates et les eaux (paléo-pH & cycle du carbone, biogéochimie marine) ;
• Autres systèmes isotopiques étudiés : Si, Fe, Cu, Zn, etc.

Solide par Ablation laser (en cours de développement)

• Isotopes du B (δ¹¹B), du Sr (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) et de l’U (δ²³⁴U) dans les carbonates et silicates.

Contacts :

Responsable instrumental :  Arnaud Dapoigny arnaud.dapoigny[a]lsce.ipsl.fr 01 69 08 04 70

Responsable scientifique :  Eric Douville (B, Li, Sr) eric.douville[a]lsce.ipsl.fr 01 69 08 22 57

Autres scientifiques GEOPS-LSCE impliqués :  Christophe Colin (Nd, Sr), Edwige Pons-Branchu (U, Th, Ra, Sr, Pb), Claire Rollion-Bard & François Thil (couplage Laser), William Gray (B), Damien Guinoiseau (Pb).

Description de l’instrument :

            Le spectromètre de masse quadrupolaire à source « Plasma d’argon » (ICP-QMS) X-series^II CCT^{Thermo Fisher Scientific} est dédié à l’analyse quantitative multi-élémentaire. Cet instrument permet la quantification rapide (quelques minutes), précise (~ pourcent) et quasi-simultanée de la teneur de nombreux éléments chimiques du Tableau Périodique allant des éléments majeurs à ceux présents à l’état de traces dans des échantillons naturels (eaux douces, eau de mer, végétaux, sols, carbonates, apatites, roches, etc.) ou dans tout autre type de matériaux ou solutions. Dans sa configuration de base, ce spectromètre permet d’atteindre des limites de détection inférieures au µg/L (ppb) voire quelques centaines de pg/L (ppq) pour les éléments lourds tels que les terres rares ou l’uranium. Deux options permettent d’améliorer ses performances : i- la cellule à collision CCT élimine les interférences gênantes, en particulier pour l’analyse des éléments dont la masse atomique se situe entre 40 et 80 (métaux de transition, métalloïdes type As, Se) ; ii- une option S de pompage additionnel à l’interface peut abaisser à quelques pg/L la limite de détection de certains éléments lourds (uranium).

            Trois grandes domaines d’applications sont aujourd’hui développer au LSCE: i- la caractérisation élémentaire ou isotopique (Pb) d’échantillons mis en solution pour le traçage des processus d’érosion des bassins versants, l’étude de la mobilité de particules ainsi que la détermination de leurs origines, et le suivi quantitatif du devenir de certains métaux lourds ou toxiques dans l’environnement, en particulier en environnement urbain ; ii- la caractérisation élémentaire des carbonates/apatites marins (coraux, foraminifères) ou continentaux (spéléothèmes, dents, etc.) pour des études en paléo- océanographie ou climatologie (température des masses d’eau, géochimie des masses d’eau, cycle du carbone, précipitations, etc.) et iii- la géochronologie et la datation U-Th des carbonates ou apatites.

Principe de l’analyse :

                Le principe est basé sur la dissociation des molécules, l’atomisation et l’ionisation des éléments présents dans une solution dans une source « Plasma » d’argon à 6000-8000°K sous pression atmosphérique. Après formation d’un faisceau d’ions via l’interface (cônes échantillonneur puis écrêteur) et le passage progressif vers un espace sous vide secondaire, la séparation (< 0,7 uma) des ions et des isotopes se fait à basse résolution selon leur rapport masse sur charge (m/z) par un Quadrupole. Les ions sont alors détectés par un multiplieur d’électrons à dynode discrète. La quantification des teneurs en éléments majeurs et/ou traces est obtenue après étalonnage de l’instrumentation (solutions standards connus ou certifiées). Selon la matrice ou la nature des échantillons analysés, les éléments étudiés et le degré de précision recherché, différentes méthodes d’étalonnage sont mises en œuvre (courbes d’étalonnage standard, méthode dérivée des ajouts-dosés, méthode dite d’encadrement).

Autres particularités de l’ICP-QMS au LSCE

• Nébuliseurs utilisés type PFA 20, 50 ou 100 µL/min ou quartz 1 mL/mn (solutions);
• Chambres en quartz micro-cyclonique ou à bille d’impact (solutions);
• Système de dé-solvatation APEX OMEGA disponible (gain en sensibilité X 2 à 10, solutions) ;
• Système d’ablation laser New Wave ESI - 193 nm potentiellement couplé (mesures in-situ, solides).

Analyses réalisées sur l’instrument :

• Quantification des éléments majeurs et traces présents dans les eaux, sols, roches, carbonates (érosion/transfert de particules) ;
• Mesure relative des isotopes du Pb (traçage de sources) ;
• Quantification des éléments majeurs (Sr/Ca, Mg/Ca) et traces (Li/Mg ; B/Ca ; U/Ca, REE, etc.) présents dans carbonates/apatites (paléoocéanographie/climatologie/cycle du carbone) ;
• Quantification des terres rares et autres éléments présents comme ultra-traces (caractérisation des matériaux ou de processus) ;
• Mesure relative des isotopes de l’U et du Th pour la datation U-Th et ses extensions U-Th-ESR ou U-Th-He.

Contacts :

Delphine Thomas : delphine.thomas[a]lsce.ipsl.fr    01 69 08 33 77

Sophie Ayrault : sophie.ayrault[a]lsce.ipsl.fr   01 69 08 40 71

Eric Douville : eric.douville[a]lsce.ipsl.fr       01 69 08 22 57

ECHoMICADAS (Environnement, Climat, Homme - Micro CArbon Dating System) est un accélérateur à basse énergie couplé à un spectromètre de masse ultra-compact permettant de mesurer à haute précision les rapports isotopiques du 14C/12C d’échantillons solides ou gazeux pouvant aller jusqu’à 10µg de carbone. Cet instrument est dédié à des activités de recherche, de développement et de formation en géochimie et géochronologie 14C dans les domaines des Sciences de l’Environnement, du Climat et des Sciences Humaines.

ECHoMICADAS a été acquis en partenariat avec trois laboratoires : le Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE/IPSL), le Laboratoire Géosciences Paris-Sud (GEOPS/IPSL) et l’UMR 7209 « Archéozoologie, Archéobotanique : Sociétés, Pratiques Environnement » et en collaboration avec ETH Zürich. Il a été financé par le DIM Analytics (Région Île-de-France), le FEDER, la fondation BNP Paribas, le Labex BCDiv ainsi que les différentes tutelles des différents laboratoires (CEA, CNRS, MNHN, Paris XI).

Les trois laboratoires de recherche associés possèdent l’expertise pour traiter tous types d’échantillons. Ils utilisent des lignes d’extraction pour convertir le carbone d’un échantillon sous forme de CO2 et des lignes de réduction.

Contacts :

LSCE :

Christine Hatté                       01 69 08 00 52 - christine.hatte[a]lsce.ipsl.fr

Nadine Tisnérat-Laborde       01 69 08 04 21 - nadine.tisnerat[a]lsce.ipsl.fr

François Thil                           01 69 08 04 22 / 01 69 08 38 70 - fthil[a]lsce.ipsl.fr

GEOPS :

Marc Massault                        01.69.15.49.18 - marc.massault[a]universite-paris-saclay.fr

Giuseppe Siani                       01.69.15.67.89 – giuseppe.siani[a]universite-paris-saclay.fr

UMR 7209 :

Antoine Zazzo                        01.40.79.33.13 - antoine.zazzo[a]mnhn.fr

Olivier Tombret                       01.40.79.46.82 - otombret[a]mnhn.fr

La plateforme dispose d’un diffractomètre D8 – Advance (Bruker) dédié à l’identification de phases dans des échantillons polycristallins.

Spécificités

• Tube scellé avec anode Cu
• Géométrie Bragg-Brentano pour analyses en réflexion sur poudres
• Fentes de divergence programmables
• Fentes de sollers
• Couteau anti-diffusion automatique motorisé
• Spinner
• Passeur automatique 60 positions
• Géométrie faisceau parallèle avec miroir de Goebel et collimateurs pour analyses de micro-diffraction en réflexion
• Collimateurs pour micro-diffraction (tailles disponibles : 500 µm, 300 µm, 100 µm)
• Détecteur multimode Eiger2 R (500 x 1000 pixels) (Dectris Ltd.)
• Platine motorisée X,Y,Z et caméra de localisation
• Licences ICDD/PDF-4+, Diffract.EVA, Diffract.TOPAS

Application sur poudres

Géométrie Bragg-Brentano avec couteau anti-diffusion et passeur automatique, détecteur principalement utilisé en mode 1D.

 Cette configuration permet de réaliser des identifications de phases et analyses semi-quantitatives pour de grandes séries d’échantillons, sur :

• Lames après traitement spécifique (éthylène-glycol, chauffage) pour la caractérisation des phases argileuses
• Portes-échantillons classiques pour les grandes quantités de poudres
• Supports Silicium monocristallins pour les micro-quantités.

Applications en micro-diffractométrie

Géométrie faisceau parallèle avec collimateur, platine motorisée, caméra de localisation, détecteur utilisé en mode 1D ou 2D.

Le détecteur peut être placé en positions verticale ou horizontale (ouverture maximale de 30° en gamma), permettant ainsi de travailler même avec de grandes cristallites orientées. La platine motorisée couplée à la caméra de localisation permet l’acquisition de spots, transects ou cartographies d’objects précisément localisés dans l’échantillon.

Charte utilisateur
En utilisant cet instrument, l’utilisateur s’engage à respecter les principes généraux de fair use/re-use des données (charte Data Re-use de l’ERIC DARIAH). Concernant la propriété intellectuelle des résultats obtenus sur des échantillons confiés à la plateforme par un organisme académique et n’impliquant pas d’activité inventive de sa part, celle-ci revient à cet organisme. Les utilisateurs devront adhérer aux termes de la DARIAH, notamment :

• Format unique de citation lors de l’utilisation de données (article, livre ou colloques/conférences), qui ne pourra être réalisée qu’avec l’accord explicite de tous les participants à ces travaux, et devra faire figurer la liste exhaustive des auteurs.
• Les données produites seront mises à disposition de la communauté scientifique, si elles n’ont été utilisées après 5 ans.

Financement

Cet instrument à été co-financé par la Région Ile-de-France dans le cadre du Domaine d’intérêt majeur « Patrimoines naturels »

Contacts
Julius NOUET – 01 69 15 61 21 – julius.nouet[a]universite-paris-saclay.fr
Amélie PLAUTRE – 01 69 15 61 27 – amelie.plautre[a]universite-paris-saclay.fr

Description de l’instrument :

Plusieurs microscopes optiques sont disponibles pour réaliser des observations pétrographiques : 3 microscopes LEICA DM750P et un Olympus AH-2. Ces microscopes permettent des observations à des grossissements variables compris entre 25 (2,5 x 10) et 400 (40 x 10). Ces microscopes sont munis d’appareil photo.

Principe de l’analyse :

Le cours de pétrographie minéralogie présenté sur le web par Michel Dubois représente une bonne introduction.

http://cours-geosciences.univ-lille1.fr/cours/cours_mineralogie/menu_module/index_bas.htm

Analyses réalisées sur l’instrument :

Il est possible de déterminer la nature des minéraux présents, leur arrangement, leur caractéristiques, … afin de définir une paragénèse ou de cibler des zones intéressantes pour l’acquisition de données ultérieures (microscope électronique à balayage, sonde électronique, …)

Contacts :

Jocelyn BARBARAND – jocelyn.barbarand[a]universite-paris-saclay.fr

Benjamin BRIGAUD – benjamin.brigaud[a]universite-paris-saclay.fr

Description de l’instrument :

L’appareil disponible à GEOPS est une cathodode froide OPEA couplée à un microscope Olympus BX41-P et à une caméra Qimaging – Qicam Fast 1394.

La cathodoluminescence d’un minéral est la propriété de celui-ci à émettre des photons lorsqu’il est soumis à un bonbardement d’électron. Observer sous un microscope, la cathodoluminescence permet de repérer et caractériser finement les différentes phases minérales constituant divers échantillons (calcaires, grès, spéléothèmes, coquilles de bivalves, de céphalopodes), et de différencier les phases de croissance cristalline (calcite, quartz, fluorine…). Cette méthode est couramment utilisée afin de définir la chronologie relative des différentes phases de croissance minérales (i.e. cement stratigraphy) dans un échantillon et/ou à l’échelle d’un bassin ou réservoir pétrolier.

Principe de l’analyse :

Les applications de cette méthode dans le domaine sédimentaire sont résumées dans l’article de Richter et al. (2003).

Richter D. K., Th. Götte, J. Götze, et R. D. Neuser (2003) Progress in application of cathodoluminescence (CL) in sedimentary petrology. Mineralogy and Petrology 79, 127–166. DOI 10.1007/s00710-003-0237-4

Analyses réalisées sur l’instrument :

Les activateurs principaux de la cathodoluminescence sont les éléments des terres rares, le manganèse et les défauts cristallins (luminescence intrinsèque).

Contacts :

Jocelyn BARBARAND – 01.69.15.67.88 - jocelyn.barbarand[a]universite-paris-saclay.fr

Benjamin BRIGAUD – 01.69.15.49.12 - benjamin.brigaud[a]universite-paris-saclay.fr