Description de l’instrument :

Les échantillons d’eau (3mL) sont équilibrés pendant 8 heures avec du CO₂. Ce gaz est ensuite introduit dans le spectromètre de masse en mode de double injection.

Les mesures des échantillons se font par rapport à nos standards pendant 15 minutes.

Le principe du spectromètre de masse est basé sur l’ionisation dans la source, l’accélération par un champ électrique et la déviation en fonction de la masse par un champ magnétique. Trois cages de Faraday sont placées en sortie et permettent de récupérer les masses 44, 45 et 46.

Principe de l’analyse :

http://www.thermo.com.cn/Resources/200802/File_28763.pdf

Analyses pouvant être faites sur l’instrument :

L’appareil est dédié à des analyses en routine de la composition isotopique en oxygène (δ¹⁸O) des eaux naturelles.

Précision fournie par le laboratoire : 2s = 0.05‰ pour le δ¹⁸O

Contacts :

Bénédicte Minster (équipe GLACCIOS au LSCE)

Description de l’instrument :

Le principe de l’analyseur isotopique est basé sur le temps de décroissance d’un faisceau laser pour mesurer les caractéristiques spectrales des molécules H₂¹⁶O, H₂¹⁸O et HD¹⁶O en phase gazeuse dans une cavité optique. Les échantillons sont automatiquement injectés (2 microlitres) dans un module de vaporisation à 110 °C avant d’être envoyé dans la cavité laser. Le temps nécessaire à la mesure d’un échantillon est de 9 minutes.

Principe de l’analyse :

https://www.picarro.com/products/l2130i_isotope_and_gas_concentration_analyzer

Analyses pouvant être faites sur l’instrument :

L’appareil L2120-i est dédié à des analyses en routine de la composition isotopique en oxygène (δ¹⁸O) et hydrogène (δD) des eaux naturelles.

Précisions fournies par le laboratoire : 1s = 0.2‰ pour le δ¹⁸O

                                                                       1s = 0.7‰ pour le δD

Contacts :

Bénédicte Minster

Description de l’instrument :

Le principe de l’analyseur isotopique est basé sur le temps de décroissance d’un faisceau laser pour mesurer les caractéristiques spectrales des molécules H₂¹⁶O, H₂¹⁸O, H₂¹⁷O et HD¹⁶O en phase gazeuse dans une cavité optique. Les échantillons sont automatiquement injectés (2 microlitres) dans un module de vaporisation à 110 °C avant d’être envoyé dans la cavité laser. Le temps nécessaire à la mesure d’un échantillon est de 9 minutes pour les rapports δ²H et δ¹⁸O et plusieurs heures pour l’analyse combinée δ¹⁷O – δ¹⁸O.

Principe de l’analyse :

https://www.picarro.com/isotope_analyzers/h2o_isotopes_liquid_and_vapor

Analyses réalisées sur l’instrument :

L’appareil L2140-i est dédié à des analyses en routine de la composition isotopique en oxygène (δ¹⁸O, δ¹⁷O) et hydrogène (δ²H) des eaux naturelles.

Précisions fournies par le laboratoire :

• 1s = 0.2‰ pour le δ¹⁸O
• 1s = 0.7‰ pour le δ²H
• 1s = 10 ppm pour le ¹⁷O-excess

Contacts :

Frédéric Prié : frederic.prie[a]lsce.ipsl.fr

Description de l’instrument :

Le principe du spectromètre de masse est basé sur l’ionisation dans la source, l’accélération par un champ électrique et la déviation en fonction de la masse par un champ magnétique. Différentes cages de Faraday sont placées en sortie et permettent de récupérer les masses 28, 29, 30 ; 32, 33, 34 ; 36, 38, 40 ; 82, 86. Il est équipé d’un module de double injection.

Cet instrument peut être couplé à une ligne d’extraction des gaz de la glace, à différents systèmes de purification de l’air utilisant des colonnes chromatographiques ou des systèmes d’adsorption et à une ligne de fluorination de l’eau. A la sortie de ces différentes lignes de préparation, les échantillons d’air purifié sont piégés dans l’hélium liquide et connectés au spectromètre de masse.

Principe de l’analyse :

http://www.thermoscientific.com/en/product/mat-253-stable-isotope-ratio-mass-spectrometer.html

Analyses réalisées sur l’instrument :

• δ¹⁵N de N₂ dans l’air (1s = 5 ppm)
• δ¹⁸O de O₂ dans l’air (1 s = 15 ppm)
• δ⁴⁰Ar/³⁶Ar, δ⁴⁰Ar/³⁸Ar dans l’air (1 s = 20 ppm)
• Δ¹⁷O de O₂ dans l’air (1 s = 5 ppm)
• ¹⁷O-excess de H₂O (1 s = 5 ppm)

Contacts :

Frédéric Prié : frederic.prie[a]lsce.ipsl.fr

Amaelle Landais : Amaelle.Landais[a]lsce.ipsl.fr

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

Chromatographie Ionique pour analyse des concentrations en anions (F^-, Cl^-, NO₂^-, Br^-, NO₃^-, PO₄^3-, SO₄^2-)

Description de l’instrument :

La chromatographie ionique (Dionex ICS 1000) permet de mesurer les concentrations en anions de solutions. La séparation des cations peut être faite sur différentes colonnes en fonction des matrices et des ions d’intérêt.

Principe de l’analyse :

Un échantillon liquide (filtré) est introduit, depuis le passeur, dans une boucle d'injection puis passe ensuite dans une colonne séparant les ions qui arrivent, l'un après l'autre, séparés par la colonne, sur une cellule de détection (ici conductimétrie). La concentration des cations est déterminée par rapport à une gamme d’étalonnage établie au préalable. Voir principe de la mesure ici : http://spin.mines-stetienne.fr/sites/default/files/chromion.pdf

Analyses réalisées sur l’instrument :

Anions majeurs (F-, Cl-, NO2-, Br-, NO3-, PO43-, SO42-) entre 0,05 et 100 ppm selon les éléments avec une précision de +/- 5%, uniquement sur des solutions liquides (filtrées).

Contacts :

Gaël Monvoisin : 01.69.15.71.74 / gael.monvoisin[a]u-psud.fr

Financements :

Université Paris-Sud : Année 2005 

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

(Laser Ablation Induced Coupled Mass Spectrometer High Resolution LA-ICPMS-HR)

Description de l’instrument :

Cet instrument permet l’analyse isotopique et élémentaire des éléments majeurs à ultra-traces (cations) un spectromètre de masse ICP-MS à secteur magnétique permettant de séparer avec précision les faisceaux d’ions avec des résolutions en masse possibles (: 300, 4000 et 10000, largement supérieures à celle d’un ICP-QMS) permettant de corriger certaines interférences isobariques. Cet instrument est caractérisé par un faible bruit de fond, une très faible limite de détection à 1 ppq (10-15 g de l’élément/g de l’échantillon) avec une grande stabilité du signal (2% RSD sur 24h). Les protocoles analytiques s’adaptent très facilement en fonction des besoins de chaque utilisateur, leur permettant de déterminer de très faibles concentrations d’éléments majeurs à traces et les rapports isotopiques (jusqu’à 1% RSD). L’échantillon est introduit dans l’ICPMS-HR soit en solution (à l’aide d’un passeur automatique) soit par un gaz portant les éléments ablatés à l’échantillon par le laser Excimer 193 nm CETAC.

Analyses réalisées sur l’instrument :

Ces caractéristiques techniques ouvrent l’analyse précise aux thématiques suivantes :

• Solution et sols : mesure des concentrations des métaux dans les phases dissoutes allant de 0,1 µg/l à plusieurs/quelques centaines de µg/l (Cu, Zn, Fe, As) et des rapports isotopiques pour certains comme le Pb. Analyse de particules porteuses micrométriques.
• Eaux de mer : quantification des éléments des Terres Rares par injection directe.
• Matrices carbonatées biogéniques (coraux, foraminifères, sédiments, calcite, dolomite…) : mesure d’éléments mineurs et traces (ng/g : U, µg/g : B, Li, Cd, mg/g : Mg, Sr) dans des coraux et des échantillons de très petite taille (e.g., foraminifères planctoniques : 100 µm, 10 µg ; foraminifères benthiques : 100 µm, 50 µg) pour la mesure des rapports Li/Mg, B/Ca, et des concentrations de Mg, Sr, Ba, U, Mn, et Terres Rares avec des précisions de l’ordre de 0,5 %. Mesure des rapports isotopiques de l'U, du Th, du Pa, pour la datation U-Th de coraux et la paléohydrologie des océans avec une reproductibilité externe de l’ordre de 0,5 ‰.
• Matrice minérale (apatite, zircon, ciment diagénétique) : mesure des éléments majeurs, mineurs et traces par solution et laser, sur des échelles de concentrations variables à très faibles concentrations (U, Th, éléments des Terre Rares concentrés en ppm, ppb pour des échantillons de tailles micrométriques). Rapports isotopiques U/Pb mesurés par ablation laser (ppm, 100 microns)

Contacts :

ICPMS : Sophie Sepulcre sophie.sepulcre[a]universite-paris-saclay.fr

Système laser et ICPMS : Cécile Gautheron cecile.gautheron[a]universite-paris-saclay.fr

Système laser : Guillaume Delpech guillaume.delpech[a]universite-paris-saclay.fr