sur_les_traces_des_utra_traces_christophe_POINSSOT - CEA Saclay

Que sont des ultra-traces …?100%du carré 1%1%du carréDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 2

Parties parmillionsParties parmilliardsParties parmilliers demilliardsParties parmillions demilliards1 g/g10,110 -210 -710 -810 -910 -1010 -1110 -1210 -1310 -14Cherchez le grain de sable !1%10 -3 millimicro-1ppm10 -410 -510 -6 nano-1ppbpico-1ppt10 -15 femto- 1ppqAnalyser 1 %, c’est commerechercher un grain desable parmi 100 grainsde sableAnalyser 1 ppm, c’estcomme rechercher ungrain de sable parmi5 litres de sable finAnalyser 1 ppt, c’estcomme rechercher ungrain de sable parmi5000m 3 de sable fin, prèsde 200 camions !Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 4

1 personne parmi10,1Parties parmillionsParties parmilliardsParties parmilliers demilliardsParties parmillions demilliards10 -210 -710 -810 -910 -1010 -1110 -1210 -1310 -141%10 -3 millimicro-1ppm10 -410 -510 -6nano-1ppbpico-1ppt10 -15 femto- 1ppqRecherchez une personne …Analyser 1 ppm,c’est commerechercher deuxpersonnes parmitous les habitantsde ParisAnalyser 1 ppb,c’est commerechercher sixpersonnes parmitous les humains …Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 5

Parties parmillionsParties parmilliardsParties parmilliers demilliardsParties parmillions demilliards1 g/g10,110 -210 -710 -810 -910 -1010 -1110 -1210 -1310 -141%10 -3 millimicro-1ppm10 -410 -510 -6nano-1ppbpico-1ppt10 -15 femto- 1ppqConstituants majeursEléments mineursEléments tracesElémentsultra-tracesLimites dedétectionDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 6

PlombEnppmTeneurdans lessolsRodriguez-Lado et al., 2007Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 8

Effet physiologique+-LimitantLes éléments traces sont essentiels à la vieEléments traces sont souvent indispensables– Oligoéléments: Co, Zn, Cu, Se, Cr …– Et toxiques en trop grande quantité !!OptimalElémentstoxiques[Stumm & Morgan, 1996]OligoélémentsppmNormes pour eau de boisson (ppm)TracesDirective CE98/3/Cs OMS 2004Antimoine 5 20Arsenic 10 10Baryum 700cadmium 5 3Chrome total 50 50cuivre 2000 2000mercure 1 1plomb 25 10sélénium 10 10Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 9

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 demasse à sourceDART (Jeol)Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 10

nombre d'articles« Explosion » du domaine des éléments tracesConvergence entre– Besoins croissants de la société : santé, sécurité,environnement …– Outils plus performantsFort développement dans ce domaine depuis unetrentaine d’années6000500040003000200010000– Nombre croissant de publications scientifiquesTraces1932194019481956196419721980198819962004année de publicationDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-ChimieNombre d'articles250200150100500Ultra-traces195819641968197219761980198419881992199620002004Année de publication20 Nov. 2007 11

Sommaire1. Eléments tracescomme indice2. Eléments traces auservice de la sécuritéglobale3. Eléments traces auservice du développementdurableDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 12

Les traces sont d’abord des indices …L’ArtSherlockHolmes …Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-ChimieLe climat20 Nov. 2007 13

Sur les traces des babyloniens …10000Composition en traces© C2RMF,T.GalligarorubisStatuette en albâtre dela déesse Ishtarprovenant de Babylone(III e S av. JC), au Louvredepuis 1886Mesures par PIXE(Particule Induced XRay Emission)Chrome (ppm)Les éléments tracespermettent dedécouvrir l’originedes gemmes etmettent en évidenceles circuitscommerciaux del’époqueDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie1010 100 1000 10000Fer (ppm)20 Nov. 2007 14

Sur les traces des climats passés …© CEA-DSM/LSCEClimats passés …CO 2 (ppm)N 2 O (ppb)Les élémentstraces permettentde reconstituer lesclimats passés etde mieux prévoirle réchauffementclimatiqueCH 4 (ppb)δD(‰)… Climats futursDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 15

Les traces au service de la sécurité globaleOrganisation du Traité d’Interdiction Complète des Essaisnucléaires (OTICE)Contributionfrançaise© CEA-DAM/DASEsismiqueMarquisesTahitiGuadeloupeGuyaneLabo RNCoted’IvoireMadagascarMongolieRéunionIndonésieCrozetKerguelenAntartiqueNlle Calédonieinfrasons Hydroacoustique Radionucléides(gaz ou particules)Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 16

1Mesure du Xénon (Xe) atmosphérique en trace• Élimination deoxygène, du CO 2 ,de l’eau• Séparation duxénon et du radonConcentrationdu xénon surcharbonsactifs© CEA-DAM/DASEEchantillonnagecontinu 24h/2410 m 3 /h240 m 3par jourStationSPALAXEchantillon20 cm 3Station de Prélèvement Automatique en Ligne avec Analyse du XénonDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-ChimieDétection parspectrométriegamma des 4isotopes duxénonLD~10 -16 mg/m 320 Nov. 2007 17

L’isotopie: la carte d’identité des élémentsChaque élément chimique possède différents isotopesdifférant uniquement par leur nombre de neutrons maisayant le même nombre de protons et d’électrons, etpossédant donc les mêmes propriétés chimiques.Exemple :Oxygène 168 protons8 neutrons99,6%Oxygène 188 protons10 neutrons0,19%La proportion des différents isotopes peut renseigner sur l’origineDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 18

Des signatures isotopiques irréfutablesDétermination des origines du Xe selon son isotopie135Xe133Xe© CEA-DAM/DASEZone desapplicationscivilesExemple: mesureIdF Nov.2004© CEA-DAM/DASEZone destestsnucléaires,applicationsmilitaires133mXe131mXeDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 19

2Identification des particules2- Irradiation dans réacteur© CEA-DAM/DASEéchantillons1- Sélection de particules© CEA-DAM/DASE4- Mesures par spectrométriede masse (TIMS)Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie3- Identification etsélection de cellescontenant desisotopes fissiles20 Nov. 2007 20

Se prémunir des contaminations extérieuresSalle blanche: air filtré,matériaux choisis, teneur enparticules garantieHomme assis 100 000particules/minHommemarchant10 000 000particules/minQuantité d’aérosols (Ø>0.3µm) générés par unindividu en bonne santé• Travailler dans uneambiance propre: salleblanche, boîtes-à-gants …• Choisir des matériel etdes réactifs de laboratoire"propres"Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 21

échantillonPrévenir en recherchant des traces suspectes …EntréegazSourceionisation( 63 Ni)Champ électriquefiltreSortie gazDétecteurFaradaySéparation des espèces chimiques selon leur mobilitédans un champ électriqueL’enjeu: détecterrapidement et avec fiabilitéla présence éventuelled’explosifs.– Difficulté = diversité desespèces explosives:‣ Jusqu’à 250molécules1. Détection vapeursd’explosif2. Détection de particulessur les bagages ou lespassagers;– Spectrométrietemps de vol– LD=quelques pg ou10 -12 g (TNT)Direction de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 22

Protéger l’environnement en maîtrisant nos déchetsEnjeu = déterminer avec précisionles teneurs en éléments radioactifsde longue durée de vie présentsen tracePrélèvementMise ensolutionConcentration© CEA-DEN/DPCDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-ChimieSéparationssuccessivesMesure précise• Mesure du rayonnement(mesure nucléaire)• Mesure en spectrométriede masse (ICP-MS)oud’émission (ICP-AES)20 Nov. 2007 23

A la recherche des isotopes tracesPrélèvement© CEA-DEN/DPCMise ensolutionConcentrationSéparationssuccessivesCombustibleirradiéPrincipe de séparationisotopique par spectrométriede masseDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 24

Conclusion - les perspectives futuresHgPbHgSnPbAnalyse élémentaireSnSpectromètre demasse miniatureHgPbSpéciationSnChallenges dans ledomaine des traces:– Diminuer les limites dedétection– Miniaturisation desoutils:‣ nanocapteurs,« lab-on-chip »‣ biocapteurs– Au-delà des teneurstotales, déterminer lesdifférentes formeschimiques de chaqueélément = spéciation‣ Toxicité, mobilité,réactivitéDirection de l’Energie Nucléaire - Département de Physico-Chimie20 Nov. 2007 25