Une des particularités de la plateforme de géochimie du laboratoire GEOPS est de contenir des instruments novateurs développés par des ingénieurs, enseignants/chercheurs et chercheurs de GEOPS. Nous pouvons citer les développements instrumentaux du spectromètre permettant la datation des roches jeunes par la méthode K-Ar, du dispositif de graphitisation pour l’analyse du carbone par le Micadas, ou encore du montage complet de la ligne d’extraction de l’hélium permettant de réaliser la thermochronologie (U-Th)/He et les expériences de diffusion de l’hélium. Cette originalité permet à GEOPS d’avoir, à côté des d’instruments "clés en mains", des instruments novateurs qui lui sont propres.
La plateforme est constituée d’un large parc de spectromètres (spectromètres de masse mais également spectromètres optiques et de flamme), de chromatographes et de différents postes de préparation d’échantillons (bancs à vide, lignes d’extraction et de préparation, lyophilisation…). Des salles de chimie permettent aussi la mesure de différentes données physico-chimiques (alcalinité, conductivité, pH…) souvent nécessaires à l’interprétation des données isotopiques.
Le fonctionnement de la plateforme est assuré par quatre Ingénieurs d’Etude (Marc Massault – responsable de la plateforme – Gaël Monvoisin, Julius Nouet, Rosella Pinna) et deux Assistants Ingénieurs (Claire Boukari et Aurélie Noret). Certains matériels très spécifiques sont également gérés par les chercheurs.
- Spectromètre de masse à source « plasma » Haute Résolution Thermo Element XR couplé avec un système d’ablation laser excimer
- Spectromètre de masse VG SIRA 10
- Spectromètre de masse Finnigan Delta +
- Spectromètre d’absorption laser LGR Laser Water Isotope Analyser OA ICOS DLT 100
- Ligne de préparation semi-automatique du 14C
- Analyse des CFCs et du SF6
- Chromatographie ionique Dionex ICS-1000
- Spectromètre d’absorption Atomique, Flamme ou Four : AAS 240 FS Varian
- Analyses des échantillons biologiques
- Extraction et analyse des matières organiques
- Plateformes gaz rares
- Spectromètres utilisés pour la datation K/Ar et Ar/Ar
Spectromètre de masse à source « plasma » Haute Résolution Thermo Element XR couplé avec un système d’ablation laser excimer (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 minéral (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@universite-paris-saclay.fr Système laser et ICPMS : Cécile Gautheron cecile.gautheron@universite-paris-saclay.fr Système laser : Guillaume Delpech guillaume.delpech@universite-paris-saclay.fr
Spectromètre de masse VG SIRA 10
Ce spectromètre de masse IRMS (Isotope-Ratio Mass Spectrometry) est robuste, fonctionne en mode « dual inlet » et permet de mesurer les delta13C/12C, delta18O/16O et delta34S/32S dans de nombreux composés. La source de l’appareil ne pouvant mesurer que du gaz la préparation préalable des échantillons sur des bancs à vide est nécessaire (combustion, attaque acide, transformation, purification) pour obtenir un gaz directement analysable (CO2 ou SO2). Le VG SIRA 10 est utilisé pour déterminer le delta13C/12C du carbone dans différentes matrices (matière organique, carbone dissout dans les eaux), ainsi que les delta13C/12C et delta18O/16O dans les carbonates avec une précision de respectivement ± 0,1 ‰ , ± 0,1 ‰ et ± 0,2 ‰. Il permet également de mesurer les delta18O/16O et delta34S/32S dans les sulfates (et le delta34S/32S des sulfures) avec une précision de ± 1 ‰.
Contact : Aurélie Noret ; lien vers l’équipe IDREau
Spectromètre de masse Finnigan Delta
Ce spectromètre de masse IRMS est couplé à un banc d’équilibration qui permet d’analyser le delta18O/16O et le deltaD/H d’échantillons d’eau. Un gaz (H2 pour deltaD/H et CO2 pour delta18O/16O) est mis en contact avec l’échantillon d’eau. Après un temps d’équilibration adapté, la signature isotopique de l’échantillon est transférée au gaz. Celui-ci est alors transféré à la source et le signal isotopique est comparé au gaz de référence. Une calibration externe permet de remonter au signal isotopique de l’échantillon d’eau. Le spectromètre de masse Finnigan Delta + peut analyser environ 1300 échantillons par an avec une précision de ± 2 ‰ pour deltaD/H et ± 0,2 ‰ pour delta18O/16O.
Contact : Aurélie Noret ; lien vers l’équipe IDREau
Spectromètre d’absorption laser LGR Laser Water Isotope Analyser OA-ICOS DLT-100
Ce spectromètre optique mesure les delta18O/16O et deltaD/H dans l’eau. L’analyse est basée sur la loi de Beer-Lambert : un nano-échantillon d’eau est vaporisé sur le trajet du faisceau laser et les interférences créées sont proportionnelles aux rapports isotopiques de l’échantillon. Le spectromètre laser permet d’analyser des échantillons aussi petits que 100 µL. La précision sur les mesures et de ± 1‰ pour deltaD/H et ± 0,2 ‰ pour delta18O/16O. La capacité de cette machine est de plus de 2000 échantillons par an.
Contact : Gaël Monvoisin ; lien vers l’équipe IDREau
Ligne de préparation semi-automatique du 14C
Cette ligne de préparation semi-automatique développée à IDES par Marc Massault permet de préparer des cibles graphite pour l’analyse du 14C à l’UMS LMC14 (accélérateur ARTEMIS, Saclay). Tout échantillon solide ou liquide carboné peut être analysé pourvu qu’il soit d’abord transformé en CO2 sur banc à vide (par combustion de la matière organique, attaque acide, etc…) Sur la ligne de graphitisation, le CO2 réagit avec l’hydrogène à 650°C pour former du carbone graphite sur un support de fer. La ligne semi-automatisée et contrôlée sous Labview permet de graphitiser jusqu’à 24 échantillons par jour et de préparer des échantillons de taille inférieure au milligramme. Le laboratoire IDES est la seule unité extérieure au LMC14 accréditée à fournir des cibles graphite.
Contact : Marc Massault ; lien vers l’équipe IDREau
Ce système est composé d’un GC-MS et d’une ligne de séparation par cryogénie qui permet de concentrer et de séparer les éléments dissous dans l’eau, avant qu’ils soient injectés sous forme gazeuse sur les différents appareils. Cette installation permet d’effectuer les analyses de SF6 et CFC 11, 12 et 113 d’une part (introduction directe par deux injecteurs, séparation sur deux colonnes capillaires, deux vannes 6 voies, gaz vecteur hélium, détecteur ECD) et dans un futur proche, les gaz rares élémentaires ainsi que l’azote et l’oxygène (spectromètre de masse quadripolaire, pompages primaire et secondaire). Pour le SF6, la sensibilité est meilleure que le femtogramme, meilleure que 0,5 picogramme pour les CFCs. Pour les gaz rares, l’azote et l’oxygène on cherchera à atteindre les sensibilités respectives de 100 ppb pour He, Ne, et Kr ; 100 ppm pour Ar ; 10 ppb pour Xe et 10 ppm pour N2 et O2. En vue d’une automatisation du protocole analytique (ligne de préparation des échantillons et procédure analytique), les appareils sont interfacés à des cartes National Instrument gérées sous Labview.
Contact : Florent Barbecot ; lien vers l’équipe IDREau
Chromatographie ionique Dionex ICS-1000
Le système ICS-1000 fonctionne en mode échange d’ions : dans la colonne chromatographique les différents ions présents dans un échantillon migrent à une vitesse différente dépendante de leur affinité avec les sites d’échange d’ion. En sortie de colonne, une cellule mesure la conductance de la solution et produit un signal dépendant des propriétés chimiques ou physiques de l’analyte. En comparant les résultats d’un échantillon avec ceux d’une solution standard, on peut identifier et quantifier les ions de l’échantillon.
Contact : Cécile Quantin ; lien vers l’équipe IDREau
Spectromètre d’absorption Atomique, Flamme ou Four : AAS 240 FS Varian
La spectrométrie d’absorption atomique permet, en mode Flamme, d’effectuer des mesures d’éléments majeurs, mineurs, voire certains éléments traces dans des gammes de concentration 0,05 à 15 mg/l selon les éléments. Les échantillons liquides sont prélevés grâce à un passeur automatique couplé à un diluteur automatique, qui permet aussi la confection automatique de gammes étalons et l’ajout de modificateurs de matrice. Ils sont ensuite vaporisés dans une flamme à haute température. Des lampes à cathode creuse (mono ou pluri-élémentaires) émettant dans les longueurs d’ondes caractéristiques des éléments permettent à une cellule photoélectrique de doser les rayonnements de chaque élément. L’absorption du signal est proportionnelle à la concentration de l’élément.
En mode Four, l’enceinte du four graphite, de petit volume et sous atmosphère inerte, autorise des dosages d’éléments traces à des concentrations de quelques µg/l.
Les applications développées au sein de notre laboratoire permettent de doser, en mode flamme et au four graphite, les éléments suivants : Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Cu, Ni, Pb, Cr, Co, Zn et Al. Ces dosages sont utilisés pour des études portant sur le fonctionnement des sols, la caractérisation d’échantillons liquides (solution du sol, eaux souterraines, eaux de surface) et le comportement d’éléments traces métalliques dans les sols.
Contact : Gaël Monvoisin ; lien Vers l’équipe IDREau
Analyses des échantillons biologiques
Un parc de chromatographes en phase liquide et gazeuse est dédié plus spécifiquement aux échantillons de l’équipe « Biocristallisation, Paléoclimats et Dynamiques Sédimentaire ». Ces machines permettent d’analyser les masses moléculaires, acides aminés, ions… Cette partie de la plateforme comprend aussi des électrophorèses préparatives et analytiques en 1D et 2D.
Contact : Julius Nouet ; lien vers l’équipe Biocristallisation, Paléoclimats et Dynamiques Sédimentaire ;http://biomin.geol.u-psud.fr ; http://biocalc.geol.u-psud.fr
Extraction et analyse des matières organiques
Un parc de machines est destiné à l’analyse de la matière organique pour l’étude des biominéraux. (lyophilisation, Speed-Vac, spectrométrie UV-vis, spectromètre FT-IR Frontier, fluorométrie…)
Contact : Julius Nouet ; lien vers l’équipe Biocristallisation, Paléoclimats et Dynamiques Sédimentaire ; http://biomin.geol.u-psud.fr ; http://biocalc.geol.u-psud.fr
- Ligne d’extraction de l’hélium pour datation (U-Th)/He et expériences de diffusion de l’hélium
Cette installation permet l’analyse en automatique par LabVIEW des concentrations d’hélium pour divers minéraux. Elle est composée d’une partie d’extraction de l’hélium par chauffage par laser (Photo B) ou lampe chauffante (Photo E), d’une partie de purification et l’analyse se fait à l’aide du spectromètre de masse quadripolaire Prisma. Jusqu’à 25 échantillons d’apatites emballés dans des capsules en platine peuvent être placés dans la planchette (Photo C) et les échantillons sont amenés devant le laser à l’aide d’un système XY automatisé. Les capsules sont chauffées une à une à une température adaptée allant de 950 à 1250°C, température contrôlée via les images prises à l’aide de la caméra puis régulée (Photo D). De, plus, l’hélium peut être extrait par chauffage à plus basse température (de 30 à 700°C) avec une lampe chauffante (Photo E). La température de l’échantillon est mesurée directement à l’aide d’un thermocouple et régulée. Un système de standardisation (bonbonne de 3He de concentration connue et une autre de rapport 4He/3He connu), permettent de transformer le courant mesuré par le spectromètre de masse en nombre d’atomes.
- Ligne VG5400 : Analyse des concentrations et rapports isotopiques de l’He, Ne et Ar
Cette installation permet l’analyse des concentrations et rapports isotopiques de l’He, Ne et Ar pour divers types d’échantillons (solides, eau) et différents types d’extractions (broyage, chauffage, vaporisation, Photo A, B et D). Pour la partie fluide, l’échantillon d’eau ou de gaz est détendu dans un ballon de 1 litre où règne un vide secondaire de l’ordre de 10-6 torr. Les fluides sont totalement vaporisés On opère sur un petit volume connu du gaz obtenu une détente dans un nouveau ballon. Le gaz esr alors purifié afin que les gaz autres que les gaz rares soient décomposés. Après ces purifications, un volume de l’échantillon est introduit dans la ligne principale, où il subit une troisième purification. Enfin, une séparation des gaz rares entre eux est réalisée au moyen de pièges à charbon actifs refroidis à l’azote liquide où à l’hélium liquide. Pour les autres systèmes d’extractions (par broyage ou chauffage) et la purification, le gaz peut être analysé par le spectromètre de masse quadripolaire Prisma (Photo C) ou par le spectromètre de masse à secteur magnétique VG5400 (Photo E). Le VG5400 à subit une jouvence « Orsayenne » avec changement des collecteurs, source, électronique de l’électroaimant et du software piloté sous LabVIEW. Deux bonbonnes de gaz (He et Air), permettent la calibration des signaux d’He, Ne et Ar.
Contact : Cécile Gautheron ;
lien site équipe
Spectromètres utilisés pour la datation K/Ar et Ar/Ar
Les appareils suivant sont essentiellement utilisés par l’équipe « Géochonologie, Dynamique des Systèmes Volcaniques » pour la datation des échantillons géologiques par les méthodes K/Ar et Ar/Ar. Ils ont tous été développés par l’équipe elle-même.
Instruments utilisés pour la datation Ar/Ar
- Un Spectromètre de masse 180°, pentacollecteur avec ligne d’extraction soit avec un four HF soit par fusion laser (laser YAG)
- Un spectromètre de masse 120° haute sensibilité avec sa ligne d’extraction (laser CO2)
Instruments utilisés pour la datation K/Ar
- Un spectromètre de masse 180° avec sa ligne d’extraction (four HF).
- Un second spectromètre de masse 180° avec sa ligne d’extraction (Four HF ou avec laser YAG)
- Un quadrupole avec sa ligne d’extraction laser.
- Un spectromètre de flamme Varian Sprectr AA-200
Contact : Claire Boukari ; lien vers l’équipe Géochronologie, Dynamique des systèmes volcaniques