Analyses des isotopes de l’U, du Th, du Pb, du Ac, du Pa, du Ra, du Sr, du Nd du B et du Li dans différentes matrices naturelles (Carbonates, eaux et sédiments)

Spectromètre de masse à source « plasma » Double focalisation et Multi-collection

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) Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser. 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).