Wulfran Barthelemy

Ingénieur en instrumentation scientifique, spécialisé en spectrométrie de masse isotopique par thermo-ionisation (TIMS).

Analyses isotopiques, réglages et maintenance d'un instrument de type VG Sector 54-30.

Equipe "Climats" - Groupe de recherche "Isotopes radiogéniques et non conventionnels".

Applications à la géochimie isotopique. Deux grands domaines d'applications : traçage de sources et datation par radiochronologie.

Principe de fonctionnement d'un spectromètre de masse à thermo-ionisation

Cette technique consiste à analyser la composition isotopique d'un échantillon de matière, en séparant ses différents constituants selon leur masse. Il s'agit de mesurer les abondances des différents isotopes d'un élément chimique donné présent dans l'échantillon, c'est-à-dire de quantifier les atomes de cet élément qui possèdent le même nombre de neutrons dans leur noyau.

En pratique, un spectromètre de masse à thermo-ionisation (Thermal Inonization Mass Spectrometer, TIMS) peut analyser un échantillon de matière récolté sous forme solide ou dissoute. L'échantillon doit avant tout être purifié, c'est-à-dire exempt de tout autre élément que celui d'intérêt. Cette préparation se fait en salle de chimie ultra-propre (salle blanche) afin d'éviter les contaminations. De très petites quantités de l'élément (entre 1 nanogramme et 1 microgramme environ) sont suffisantes pour l'analyse.

L'échantillon une fois purifié et mis en solution est déposé sur un ruban de métal pur à l'aide d'une seringue. L'ensemble est alors introduit dans la source d'ions du spectromètre qui est mise sous vide. Lorsqu'un vide suffisant est obtenu, le ruban est chauffé par un courant électrique, et sous l'effet de la chaleur l'échantillon s'évapore en s'ionisant positivement. Un faisceau d'ions est ainsi produit, orienté et accéléré dans une seule direction de l'espace par un jeu de plaques métalliques sous tension. Il entre ensuite dans un champ magnétique qui a pour effet de dévier les particules perpendiculairement à leur trajectoire. Par effet d'inertie mécanique, les particules se séparent pour former autant de sous-faisceaux différents qu'il y a de masses ioniques différentes. A la sortie du champ magnétique, chaque sous-faisceau isotopique est recueilli dans un collecteur d'ions, qui mesure l'intensité du faisceau d'ions et donc l'abondance relative de l'isotope. Les résultats des mesures sont le plus souvent présentés sous forme de rapports isotopiques, qui correspondent aux proportions entre les quantités d'isotopes présents dans l'échantillon.

Applications

Une panoplie d'éléments naturels sont analysables par cette technique de spectrométrie de masse : calcium, strontium, rubidium, néodyme, samarium, césium, rhénium, bore, osmium, plomb, radium, hafnium, zirconium, uranium, thorium ...  Les analyses réalisées avec ce type d'instruments permettent en premier lieu de faire du traçage de sources, c'est-à-dire de connaître la provenance d'un objet en comparant sa composition isotopique avec celles de ses différents lieux d'origine possibles. Ainsi le strontium est-il un bon traceur de l'histoire des roches, et le plomb un bon indicateur des sites métallurgiques exploités. En second lieu, la mesure isotopique est utilisée en datation absolue par radiochronologie, qui consiste à calculer des âges du fait que la composition isotopique des éléments naturellement radioactifs varie lentement au cours du temps. Les nombreux radioéléments existants ayant des vitesses de désintégration différentes, ils offrent aux géochimistes un choix de méthodes de datation qui couvrent des échelles de temps très larges, allant de l'année à plusieurs milliards d'années.

Avantages et évolution de la technique

La spectrométrie de masse par thermo-ionisation a fait ses preuves depuis son invention au milieu du XXe siècle. Elle reste robuste par la fiabilité de ses résultats et sa capacité à mesurer des échantillons en faibles quantités. Néanmoins, elle tend à être remplacée par une technique proche et plus performante, la spectrométrie de masse à multi-collection et à plasma produit par couplage inductif (MC-ICP-MS), qui permet d'analyser une liste plus longue d'éléments et des temps d'analyses plus réduits. Elle demeure néanmoins une technique de référence incontournable, ne serait-ce que pour valider les résultats obtenus avec les instruments à source plasma.

- Analyse élémentaire de la composition des eaux naturelles par chromatographie ionique sur instrument de type Aquion.

- Caractérisation minéralogique des échantillons géologiques par la diffraction des rayons X sur instrument de type XPert-Pro.

- Utilisation d'une microforeuse de type Geomill pour échantillons solides.

- Interventions de maintenance en électronique et micro-mécanique sur d'autres instruments du laboratoire : spectromètres de masse pour isotopes stables (IRMS), microscopes, scanner de rayonnement X (I-Trax) ...

- Organisation de séminaires scientifiques internes de niveau grand public à l'usage des personnels non scientifiques du laboratoire

Recherches bibliographiques et publications sur le thème des anciennes civilisations et de l'archéologie en pays bibliques.

http://bible.archeologie.free.fr

Organisation de sorties associant la randonnée à la découverte du patrimoine naturel, culturel, historique et religieux en région PACA.

http://randonneaularge.free.fr