sur la trace des ultra-traces … · direction de l’energie nucléaire - département de...
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20 Nov. 2007 1Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Sur la trace des ultra-traces …
Christophe POINSSOT
20 Nov. 2007 2Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
1%100%
du carré
1%du carré
Que sont des ultra-traces …?
20 Nov. 2007 4Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Cherchez le grain de sable !1 g/g
0,110-2
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12
10-13
10-14
10-15
nano-
pico-
femto-
1%Analyser 1 %, c’est comme
rechercher un grain de sable parmi 100 grains
de sable
Analyser 1 ppt, c’est comme rechercher un grain de sable parmi
5000m3 de sable fin, près de 200 camions !
10-3
10-4
10-5
10-6
milli-
micro- Analyser 1 ppm, c’est comme rechercher un grain de sable parmi 5 litres de sable fin
1ppm
1ppb
1ppt
1
Parties par millions
Parties par milliards
Parties par milliers de milliards
Parties par millions de milliards 1ppq
20 Nov. 2007 5Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Recherchez une personne …1 personne parmi
0,110-2
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12
10-13
10-14
10-15
nano-
pico-
femto-
1%
1ppb
1ppt
1
10-3
10-4
10-5
10-6
milli-
micro-1ppm
Analyser 1 ppb, c’est comme
rechercher six personnes parmi
tous les humains …
Analyser 1 ppm, c’est comme
rechercher deux personnes parmi
tous les habitants de Paris
Parties par millions
Parties par milliards
Parties par milliers de milliards
Parties par millions de milliards 1ppq
20 Nov. 2007 6Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
1 g/g
0,110-2
10-7
10-8
10-9
10-10
10-11
10-12
10-13
10-14
10-15
nano-
pico-
femto-
1%
1ppb
1ppt
1
10-3
10-4
10-5
10-6
milli-
micro-1ppm
Constituants majeurs
Eléments traces
Eléments ultra-traces
Limites de détection
Eléments mineurs
Parties par millions
Parties par milliards
Parties par milliers de milliards
Parties par millions de milliards 1ppq
20 Nov. 2007 7Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Pourquoi s’intéresser aux éléments traces ?
Teneur en Zn des sédiments du fond du lac Erié (USA) [Beer & Stumm, 1992]
Importance industrielle– Utilisation d’éléments
peu courants dans le milieu naturel
Ex.: voiture contient près de 4% de métaux lourds (Pb, Zn, Cu, Hg, …)
– Besoin en matériaux de plus en plus purs (électronique)
Circuits intégrés: traces < 10-12 g/g (ppt)
Contribue à « l’empreinte écologique » de l’industrie
Indus
trialisa
tion
Profo
ndeu
r des
sédim
ents
(cm)
Zn (ppm ou 10-6 g/g)
20 Nov. 2007 8Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Plomb
En ppm
Teneur dans les
sols
Rodriguez-Lado et al., 2007
20 Nov. 2007 9Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Les éléments traces sont essentiels à la vie
TracesDirective CE
98/3/Cs OMS 2004Antimoine 5 20Arsenic 10 10Baryum 700
cadmium 5 3Chrome total 50 50
cuivre 2000 2000mercure 1 1plomb 25 10
sélénium 10 10[Stumm & Morgan, 1996]
Eléments traces sont souvent indispensables– Oligoéléments: Co, Zn, Cu, Se, Cr …– Et toxiques en trop grande quantité !!
Elémentstoxiques
Optimal
Lim
itant
Oligoéléments
ppm
Effe
t phy
siol
ogiq
ue Normes pour eau de boisson (ppm)
+
-
20 Nov. 2007 10Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
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)
20 Nov. 2007 11Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
« Explosion » du domaine des éléments tracesConvergence entre– Besoins croissants de la société : santé, sécurité,
environnement …– Outils plus performants
Fort développement dans ce domaine depuis une trentaine d’années
– Nombre croissant de publications scientifiques
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
2004
1996
1988
1980
1972
1964
1956
1948
1940
1932
année de publication
nom
bre
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ticle
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0
50
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250
2004
2000
1996
1992
1988
1984
1980
1976
1972
1968
1964
1958
Année de publication
Nom
bre
d'ar
ticle
s
Traces Ultra-traces
20 Nov. 2007 12Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Sommaire
1. Eléments traces comme indice
2. Eléments traces au service de la sécurité
globale
3. Eléments traces au service du développement
durable
20 Nov. 2007 13Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Les traces sont d’abord des indices …
Sherlock Holmes …L’Art
Le climat
20 Nov. 2007 14Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Sur les traces des babyloniens …
Statuette en albâtre de la déesse Ishtar
provenant de Babylone (IIIe S av. JC), au Louvre
depuis 1886
© C2
RMF,
T.Ga
lligar
o
Les éléments traces permettent de
découvrir l’origine des gemmes et
mettent en évidence les circuits
commerciaux de l’époque
Mesures par PIXE (Particule Induced XRay Emission) C
hrom
e (p
pm)
10 100 1000 10000Fer (ppm)
10
10000
rubis
Composition en traces
20 Nov. 2007 15Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Sur les traces des climats passés …Les éléments
traces permettent de reconstituer les climats passés et de mieux prévoir le réchauffement
climatique
… Climats futurs
CH4 (ppb)
CO2 (ppm)
N2 O (ppb)Climats passés …
δD(‰)
© CE
A-DS
M/LS
CE
20 Nov. 2007 16Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Les traces au service de la sécurité globale©
CEA-
DAM/
DASE
Organisation du Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires (OTICE)
sismique
Marquises
Tahiti
Guadeloupe
Guyane Coted’Ivoire
KerguelenCrozet
RéunionMadagascar
Antartique
Indonésie Nlle Calédonie
MongolieLabo RN
Contribution française
infrasons Hydroacoustique Radionucléides (gaz ou particules)
20 Nov. 2007 17Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
• Élimination de oxygène, du CO2 ,
de l’eau• Séparation du
xénon et du radon
Détection par spectrométrie gamma des 4 isotopes du
xénon
Concentration du xénon sur
charbons actifs
Echantillonnagecontinu 24h/24
10 m3/h
240 m3
par jourEchantillon
20 cm3
Mesure du Xénon (Xe) atmosphérique en trace©
CEA-
DAM/
DASE
Station SPALAX
1
Station de Prélèvement Automatique en Ligne avec Analyse du Xénon
LD~10-16 mg/m3
20 Nov. 2007 18Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
L’isotopie: la carte d’identité des élémentsChaque 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.
Oxygène 16
La proportion des différents isotopes peut renseigner sur l’origine
Exemple :
Oxygène 188 protons8 neutrons
99,6%
8 protons10 neutrons
0,19%
20 Nov. 2007 19Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Zone des tests
nucléaires, applications
militaires
Zone des applications
civiles
Détermination des origines du Xe selon son isotopie
Exemple: mesureIdF Nov.2004
Des signatures isotopiques irréfutables
© CE
A-DA
M/DA
SE
135Xe133Xe
133mXe131mXe
© CE
A-DA
M/DA
SE
20 Nov. 2007 20Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Identification des particules2
© CE
A-DA
M/DA
SE
1- Sélection de particules
2- Irradiation dans réacteur
3- Identification et sélection de celles
contenant des isotopes fissiles
4- Mesures par spectrométrie de masse (TIMS)
échantillons
© CE
A-DA
M/DA
SE
20 Nov. 2007 21Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Se prémunir des contaminations extérieures
Homme assis 100 000 particules/min
Homme marchant
10 000 000 particules/min
Quantité d’aérosols (Ø>0.3µm) générés par un individu en bonne santé
Salle blanche: air filtré, matériaux choisis, teneur en
particules garantie
• Travailler dans une ambiance propre: salle
blanche, boîtes-à-gants …
• Choisir des matériel et des réactifs de laboratoire
"propres"
20 Nov. 2007 22Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Prévenir en recherchant des traces suspectes …
Champ électrique
Sortie gaz
Entréegaz
Source ionisation( 63Ni)
Détecteur Faraday
filtre
L’enjeu: détecter rapidement et avec fiabilité la présence éventuelle d’explosifs.
– Difficulté = diversité des espèces explosives:
Jusqu’à 250 molécules
1. Détection vapeurs d’explosif
2. Détection de particules sur les bagages ou les passagers;– Spectrométrie
temps de vol– LD=quelques pg ou
10-12 g (TNT)Séparation des espèces chimiques selon leur mobilité
dans un champ électrique
échantillon
20 Nov. 2007 23Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Protéger l’environnement en maîtrisant nos déchets
Enjeu = déterminer avec précision les teneurs en éléments radioactifs
de longue durée de vie présents en trace
Mise en solution
Séparations successives
Mesure précise• Mesure du rayonnement
(mesure nucléaire)• Mesure en spectrométrie
de masse (ICP-MS)ou d’émission (ICP-AES)
Prélèvement
Concentration
© CE
A-DE
N/DP
C
20 Nov. 2007 24Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
A la recherche des isotopes traces
Mise en solution
Séparations successives
Prélèvement
Concentration
Principe de séparation isotopique par spectrométrie
de masse Combustible
irradié
© CE
A-DE
N/DP
C
20 Nov. 2007 25Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie
Conclusion - les perspectives futures
Challenges dans le domaine des traces:
– Diminuer les limites de détection
– Miniaturisation des outils:
nanocapteurs, « lab-on-chip »biocapteurs
– Au-delà des teneurs totales, déterminer les différentes formes chimiques de chaque élément = spéciation
Toxicité, mobilité, réactivité
Spectromètre de masse miniature
Hg
Pb
Sn
HgPb Sn Sn
Pb
Hg
Analyse élémentaire Spéciation