Sur les traces des ultra-traces, par Christophe Poinssot

Sur la trace des
ultra-traces …
Christophe POINSSOT
Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
20 Nov. 2007
1
Que sont des ultra-traces …?
100%
du carré
1%
1%
du carré
Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
20 Nov. 2007
2
0,0001 % = 1 ppm
Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
20 Nov. 2007
3
1 g/g
1
0,1
10-2
Cherchez le grain de sable !
1%
10-3 milli10-4
Parties par
millions
10-5
10-6 micro- 1ppm
10-7
Parties par
milliards
Analyser 1 %, c’est comme
rechercher un grain de
sable parmi 100 grains
de sable
10-8
10-9 nano- 1ppb
Analyser 1 ppm, c’est
comme rechercher un
grain de sable parmi
5 litres de sable fin
10-10
10-11
Parties par
milliers de
milliards
10-12 pico- 1ppt
10-13
Parties par
millions de
milliards
10-14
10-15 femto- 1ppq
Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Analyser 1 ppt, c’est
comme rechercher un
grain de sable parmi
5000m3 de sable fin, près
de 200 camions !
20 Nov. 2007
4
1 personne parmi
1
0,1
10-2
Recherchez une personne …
1%
10-3 milli10-4
Parties par
millions
10-5
10-6 micro-1ppm
10-7
Parties par
milliards
10-8
10-9 nano- 1ppb
10-10
10-11
Parties par
milliers de
milliards
10-12 pico- 1ppt
10-13
Parties par
millions de
milliards
10-14
Analyser 1 ppm,
c’est comme
rechercher deux
personnes parmi
tous les habitants
de Paris
Analyser 1 ppb,
c’est comme
rechercher six
personnes parmi
tous les humains …
10-15 femto- 1ppq
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5
1 g/g
1
0,1
10-2
Constituants majeurs
1%
10-3 milli10-4
Parties par
millions
10-5
10-6 micro-1ppm
10-7
Parties par
milliards
Eléments mineurs
Eléments traces
10-8
10-9 nano- 1ppb
10-10
10-11
Parties par
milliers de
milliards
10-12 pico- 1ppt
10-13
Parties par
millions de
milliards
10-14
10-15 femto- 1ppq
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Eléments
ultra-traces
Limites de
détection
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6
Pourquoi s’intéresser aux éléments traces ?
ÎImportance industrielle
– Utilisation d’éléments
peu courants dans le
milieu naturel
¾ Ex.: voiture contient
près de 4% de
métaux lourds (Pb,
Zn, Cu, Hg, …)
– Besoin en matériaux de
plus en plus purs
(électronique)
¾ Circuits intégrés:
traces < 10-12 g/g
(ppt)
Ê
io n
sa t
ria
li
u st
In d
Profondeur des sédiments (cm)
Zn (ppm ou 10-6 g/g)
Teneur en Zn des sédiments du fond du
lac Erié (USA) [Beer & Stumm, 1992]
ÎContribue à « l’empreinte
écologique » de l’industrie
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Plomb
En
ppm
Teneur
dans les
sols
Rodriguez-Lado et al., 2007
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8
Les éléments traces sont essentiels à la vie
ÎEléments traces sont souvent indispensables
– Oligoéléments: Co, Zn, Cu, Se, Cr …
– Et toxiques en trop grande quantité !!
Optimal
ita
nt
Oligo
éléments
Li
m
Effet physiologique
+
Eléments
toxiques
[Stumm & Morgan, 1996]
ppm
Normes pour eau de boisson (ppm)
Directive CE
98/3/Cs
OMS 2004
Traces
Antimoine
5
20
Arsenic
10
10
Baryum
700
cadmium
5
3
Chrome total
50
50
cuivre
2000
2000
mercure
1
1
plomb
25
10
sélénium
10
10
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Les éléments traces sont la mémoire de ce qu’ils ont vu …
Exemple: étude Irlandaise sur des billets de banque :
100% des € avaient été en contact avec de la cocaïne …
Spectromètre de
masse à source
DART (Jeol)
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« Explosion » du domaine des éléments traces
ÎConvergence entre
– Besoins croissants de la société : santé, sécurité,
environnement …
– Outils plus performants
ÎFort développement dans ce domaine depuis une
trentaine d’années
– Nombre croissant de publications scientifiques
250
Traces
5000
Nombre d'articles
nombre d'articles
6000
4000
3000
2000
1000
200
Ultra-traces
150
100
50
0
19
58
19
64
19
68
19
72
19
76
19
80
19
84
19
88
19
92
19
96
20
00
20
04
04
96
20
19
88
19
80
19
72
19
64
19
56
19
48
19
40
19
19
32
0
année de publication
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Année de publication
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Sommaire
1. Eléments traces
comme indice
2. Eléments traces au
service de la sécurité
globale
3. Eléments traces au
service du développement
durable
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12
Les traces sont d’abord des indices …
L’Art
Sherlock
Holmes …
Le climat
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13
Sur les traces des babyloniens …
Composition en traces
rubis
Mesures par PIXE
(Particule Induced XRay Emission)
Chrome (ppm)
10000
10
© C2RMF,T.Galligaro
10
Les éléments traces
permettent de
découvrir l’origine
des gemmes et
mettent en évidence
Statuette en albâtre de
les circuits
la déesse Ishtar
provenant de Babylone
commerciaux de
(IIIe S av. JC), au Louvre
l’époque
depuis 1886
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100
1000
10000
Fer (ppm)
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14
© CEA-DSM/LSCE
Sur les traces des climats passés …
Climats passés …
N2O (ppb)
Les éléments
traces permettent
de reconstituer les
climats passés et
de mieux prévoir
le réchauffement
climatique
CO2 (ppm)
CH4 (ppb)
δD(‰)
… Climats futurs
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15
Les traces au service de la sécurité globale
Organisation du Traité d’Interdiction Complète des Essais
nucléaires (OTICE)
Contribution
© CEA-DAM/DASE
française
Labo RN
Mongolie
Guadeloupe
Marquises
Guyane
Cote
d’Ivoire
Madagascar
Tahiti
Réunion
Indonésie
Nlle Calédonie
Crozet
Kerguelen
Antartique
sismique
infrasons
Hydroacoustique
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Radionucléides
(gaz ou particules)
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16
1 Mesure du Xénon (Xe) atmosphérique en trace
Concentration
du xénon sur
charbons
actifs
• Élimination de
oxygène, du CO2,
de l’eau
• Séparation du
xénon et du radon
© CEA-DAM/DASE
Echantillonnage
continu 24h/24
10 m3/h
240 m3
par jour
Station
SPALAX
Echantillon
20 cm3
Détection par
spectrométrie
gamma des 4
isotopes du
xénon
LD~10-16 mg/m3
Station de Prélèvement Automatique en Ligne avec Analyse du Xénon
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L’isotopie: la carte d’identité des éléments
Chaque élément chimique possède différents isotopes
différant uniquement par leur nombre de neutrons mais
ayant le même nombre de protons et d’électrons, et
possédant donc les mêmes propriétés chimiques.
Exemple :
Oxygène 16
Oxygène 18
8 protons
8 neutrons
99,6%
8 protons
10 neutrons
0,19%
La proportion des différents isotopes peut renseigner sur l’origine
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18
Des signatures isotopiques irréfutables
Détermination des origines du Xe selon son isotopie
133Xe
Zone des
applications
civiles
© CEA-DAM/DASE
© CEA-DAM/DASE
135Xe
Exemple: mesure
IdF Nov.2004
Zone des
tests
nucléaires,
applications
militaires
133mXe
131mXe
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19
© CEA-DAM/DASE
2 Identification des particules
2- Irradiation dans réacteur
échantillons
© CEA-DAM/DASE
1- Sélection de particules
3- Identification et
sélection de celles
contenant des
isotopes fissiles
4- Mesures par spectrométrie
de masse (TIMS)
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20
Se prémunir des contaminations extérieures
Salle blanche: air filtré,
matériaux choisis, teneur en
particules garantie
Homme assis
Homme
marchant
100 000
particules/min
10 000 000
particules/min
Quantité d’aérosols (Ø>0.3µm) générés par un
individu en bonne santé
• Travailler dans une
ambiance propre: salle
blanche, boîtes-à-gants …
• Choisir des matériel et
des réactifs de laboratoire
"propres"
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21
Prévenir en recherchant des traces suspectes …
ÎL’enjeu: détecter
rapidement et avec fiabilité
la présence éventuelle
d’explosifs.
– Difficulté = diversité des
espèces explosives:
¾ Jusqu’à 250
molécules
Champ électrique
1. Détection vapeurs
d’explosif
Entrée
Détecteur
gaz
Faraday 2. Détection de particules
sur les bagages ou les
échantillon
passagers;
– Spectrométrie
Source
temps de vol
ionisation( 63Ni) filtre
– LD=quelques pg ou
Sortie gaz
10-12 g (TNT)
Séparation des espèces chimiques selon leur mobilité
dans un champ électrique
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22
Protéger l’environnement en maîtrisant nos déchets
Enjeu = déterminer avec précision
les teneurs en éléments radioactifs
de longue durée de vie présents
en trace
Prélèvement
Mise en
solution
Concentration
© CEA-DEN/DPC
Séparations
successives
Mesure précise
• Mesure du rayonnement
(mesure nucléaire)
• Mesure en spectrométrie
de masse (ICP-MS)ou
d’émission (ICP-AES)
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A la recherche des isotopes traces
Prélèvement
© CEA-DEN/DPC
Mise en
solution
Concentration
Séparations
successives
Combustible
irradié
Principe de séparation
isotopique par spectrométrie
de masse
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Conclusion - les perspectives futures
ÎChallenges dans le
domaine des traces:
Spectromètre de
masse miniature
Hg
Sn
Pb
Hg
Pb
Sn
Analyse élémentaire
Pb
Hg
Spéciation
Sn
– Diminuer les limites de
détection
– Miniaturisation des
outils:
¾ nanocapteurs,
« lab-on-chip »
¾ biocapteurs
– Au-delà des teneurs
totales, déterminer les
différentes formes
chimiques de chaque
élément = spéciation
¾ Toxicité, mobilité,
réactivité
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