La mesure précise des compositions isotopiques des éléments est fondamentale dans de nombreux domaines comme les géosciences, les sciences de l’environnement, le nucléaire ou la lutte contre la prolifération nucléaire. Pour ces applications, les techniques qui permettent de mesurer les rapports isotopiques les plus justes et les plus reproductibles sont les spectrométries de masse à source plasma multi-collection (ICPMS-MC) et à thermo-ionisation (TIMS).  Dans le cas des analyses par TIMS, un échantillon sous forme liquide est déposé sur un filament métallique, généralement du rhénium de très haute pureté. Ce filament est chauffé sous vide afin d’évaporer et d’ioniser l’élément à analyser. Dans le cas d’un dépôt direct de l’échantillon, le phénomène d’ionisation est régi par la loi de Saha-Langmuir qui permet de déterminer un rendement d’ionisation théorique. Ce rendement dépend de la température du filament, de l’énergie de première ionisation de l’élément analysé et de la fonction de travail du matériau support. Or, les rendements d’ionisation des actinides dont l’uranium sont très faibles (de l’ordre de 10-4 dans le cas de l’uranium, soit à peine quelques ions produits pour 10 000 atomes déposés sur le filament). Cependant, quelques techniques de dépôts qui permettent d’augmenter considérablement les rendements d’ionisation, et ainsi de réduire les quantités nécessaires pour l’analyse d’un échantillon, sont décrites dans la littérature. Ces techniques sont basées sur l’utilisation « d’activateurs d’ionisation » qui améliorent la fonction de travail du matériau support. On peut citer par exemple, le dépôt sur carbone graphite, la carburation [1] et plus récemment les émetteurs poreux (PIE/FPIE) [2] et les micro treillis organométalliques (MOF) [3]. Le stagiaire devra améliorer la technique de dépôts des émetteurs poreux développée dans un précédent stage et tester leur impact en termes d’ionisation pour un élément d’intérêt, (uranium, néodyme…) lorsqu’on dépose sur le filament de rhénium de faibles quantités (<10 ng). Il s’agira essentiellement d’un travail expérimental intégrant des notions théoriques. Le candidat disposera d’une instrumentation de pointe pour mener à bien ces développements et travaillera en collaboration avec les autres stagiaires et post-doctorants également impliqués sur la thématique de la réduction des quantités analysables.

Références :
[1] Jakopic R., Richter S., Kühn H., Aregbe Y., J. Anal. At. Spectrom., 2010, 25, 815-821
[2] Watrous M.G., Delmore J.E., Stone M.L., Int J. Mass Spec., 2010, 296, 21-24
[3] McHugh K., Barpaga D., Sinnwell M., Shen S., Shutthanandan V., Anal. Chem., 94, 2072-2077

Profil recherché : Master II chimie analytique
Mots Clefs : analyse isotopique, TIMS développement analytique, carburation, PIE, MOF
Laboratoire d’accueil :
Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives de Saclay - Direction de l’Energie Nucléaire
Département de Recherche sur les Matériaux et la Phy