Étude, caractérisation et mise en œuvre du couplage ablation-laser - spectrométrie de masse à source plasma pour le dosage des impuretés élémentaires à l'état de trace dans des matériaux pulvérulents.

Study, caracterisation and implementation of the laser ablation - inductively coupled plasma mass spectrometry coupling for the quantification of elemental traces impurities in pulverulent materials.

• Auteur / Autrice : Michaël Susset
• Direction : Christophe Pecheyran, Fabien Pointurier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique et environnement
• Date : Soutenance le 20/06/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (IPREM UMR 5254) - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Partenaire(s) de recherche : Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France). Direction de la recherche technologique
• Jury : Président / Présidente : Hélène Isnard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Isnard, Charles-Philippe Lienemann, Bruno Bousquet, Julien Mercadier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles-Philippe Lienemann, Bruno Bousquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Uranium

Ablation laser (fabrication)

Mots clés libres

Ablation laser

ICP-MS

Dosages multi-élémentaires

Analyse de poudres

Échantillons géologiques

Concentrés miniers d'uranium

Laser ablation

ICP-MS

Multi-elemental quantifications

Powder analysis

Geological samples

Uranium ore concentrates

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif de développer une méthode directe et rapide de dosage multi-élémentaire, jusqu'à l'échelle des traces, dans des solides pulvérulents par couplage ablation laser – ICP-MS et d'apporter des éléments de compréhension des phénomènes observés. L'étude a été réalisée avec un laser nanoseconde d'une longueur d'onde de 213 nm et un ICP-MS haute résolution à secteur magnétique. Les matériaux analysés sont des géostandards et des concentrés miniers d'uranium. Quatre méthodes de préparation de poudres (formation des perles de verre par fusion alcaline, formation de pastilles après mélange avec un liant organique, mélange avec une colle et mise en œuvre d'un procédé sol-gel) préalables à la mesure et plusieurs méthodes d'étalonnage ont été comparées. La formation de perles de verre permet des quantifications exactes avec des incertitudes de mesure plus faibles que celles des trois autres méthodes, permet la réalisation d'étalonnages externes avec des matériaux de référence certifiés dont les matrices diffèrent de celles des échantillons, ainsi que la préparation d'étalons synthétiques utilisables pour les étalonnages. Une étude comparative de la distribution en taille des aérosols générés par ablation laser femtoseconde (257 nm) et nanoseconde (213 nm) a également été réalisée. Pour la plus grande partie des éléments d'intérêt, les performances de la méthode développée sont comparables à celles de la méthode classique (dissolution par attaque chimique, dilution puis mesure par ICP-MS en voie liquide) en termes de limite de détection, d'exactitudes et d'incertitudes expérimentales, avec un délai d'analyse considérablement réduit.

The objective of this thesis is to develop a direct and fast method of multi-elemental determination, down to the trace level, in powdered solids by laser ablation - ICP-MS coupling and to provide elements of understanding of the observed phenomena. The study was carried out with a nanosecond laser with a wavelength of 213 nm and a high resolution ICP-MS with a sector field. The materials analyzed were geostandards and uranium ore concentrates. Four methods of powder preparation (glass bead formation by alkaline fusion, pellet formation after mixing with an organic binder, mixing with an adhesive, and by a sol-gel process) prior to measurement and several calibration methods were compared. The formation of glass beads allows accurate quantifications with lower measurement uncertainties than the other three methods, allows external calibrations to be performed with certified reference materials whose matrices differ from those of the samples, and allows the preparation of synthetic standards that can be used for calibrations. A comparative study of the size distribution of aerosols generated by femtosecond (257 nm) and nanosecond (213 nm) laser ablation was also performed. For most of the elements of interest, the performances of the developed method are comparable to those of the classical method (dissolution by chemical attack, dilution then measurement by ICP-MS in liquid way) in terms of detection limit, accuracies and experimental uncertainties, with a considerably reduced analysis time.