Afin d’être en mesure de quantifier l’uranium et le plutonium, l’utilisation de techniques de quantification est nécessaire. Puisque ces éléments sont radioactifs, il est possible de les quantifier par des méthodes radiométriques telles que la spectrométrie alpha. Cette technique d’analyse a longtemps été la technique privilégiée afin d’analyser les radionucléides émetteurs alpha. Cependant, pour l’analyse d’éléments trace ou ultra-trace, une étape de séparation est nécessaire afin de faciliter l’analyse. Les particules alpha parcourent une faible distance et dû à leurs masses importantes, elles sont facilement absorbées par la matière. L’échantillon doit donc être le plus pur et le plus uniforme possible en uranium ou en plutonium pour éviter une diminution du signal. De plus, le temps de comptage est long. Selon la sensibilité, la limite de détection et la précision requise, l’analyse peut durer de quelques heures à quelques jours. Les isotopes 239
Pu et 240Pu sont difficilement discriminable puisque leurs énergies alpha sont similaires (5,24 et 5,25 MeV respectivement). [54] Au contraire, l’analyse par ICP-MS est plus rapide et nécessite moins d‘étape de préparation d’échantillon puisque l’analyse est fait en fonction du rapport masse sur charge. L’ICP-MS possède une meilleur efficacité de détection, des limites de détection basses et permet d’effectuer des mesures du rapport isotopique précis. [55]
2.6.1 La spectrométrie de masse par plasma à couplage inductif (ICP-MS)
L’ICP-MS est l’une des techniques d’analyse les plus employées pour identifier et quantifier les éléments traces et même ultra-traces. Cet appareil est rapide, multiélémentaire, possède d’excellentes limites de détection de l’ordre de 0,01 – 0,6 ng/L [56] et à la capacité d’effectuer des mesures isotopiques relativement précises. De plus, l’ICP-MS est une technique d’analyse qui a l’avantage de requérir peu d’étapes pour la préparation d’échantillon. Un échantillon dissous en milieu légèrement acide peut être analysé directement. Pour leur part, les échantillons solides sont digérés et mis en solution par la digestion acide conventionnelle, par la digestion micro-ondes ou par la fusion boratée. La digestion d’échantillon se fait préférablement dans l’acide pour stabiliser les ions métalliques en solution aqueuse et les échantillons concentrés sont dilués avec de l’eau de haute pureté. Un étalon interne dont la concentration est connue est ajouté à l’échantillon pour corriger les dérives de signal de l’appareil. Cependant, la préparation d’échantillon peut inclure uneétape d’élimination ou de réduction de la matrice car les ICP-MS sont sensibles à la composition matricielle (interférences non-spectrales) et s’encrassent rapidement si l’échantillon contient des matrices chargées. De plus, la présence de certains éléments peut occasionner des interférences isobariques ou polyatomiques. Afin d’éviter ces interférences, des techniques de séparation, d’enrichissement et de préconcentration de l’analyte (ex : CPE) peuvent être employées. [54]
Une fois solubilisés, les échantillons sont aspirés à l’intérieur d’une chambre de nébulisation où le nébuliseur transforme l’échantillon liquide en microgouttelettes par collision avec un flux d’argon. Les microgouttelettes passent ensuite dans le plasma d’argon ionisé à des températures allant de 6 000 à 10 000 degrés Celsius permettant l’atomisation et l’ionisation. L’argon est utilisé pour produire le plasma car ce gaz a un potentiel d’ionisation élevé de 15,8 eV pouvant ioniser la majorité des éléments du tableau périodique. Une fois ionisé, les ions sont dirigés vers la section appelée interface qui comprend deux cônes en nickel ou en platine, à savoir l’échantillonneur et l’écumoire (voir figure 14). Une partie du plasma d’ions est transférée par l’orifice de l’échantillonneur pour se retrouver à l’intérieur d’une chambre sous vide. Cette chambre permet de faire la transition des ions qui sont sous pression atmosphérique vers la section du quadripôle et du détecteur qui sont sous vide. L’écumoire prélève le centre du faisceau ionique et les ions sont focalisés par plusieurs lentilles à leur sortie de l’interface. Les ions passent par un filtre de masse appelé quadripôle. L’ICP-MS est basé sur le principe de la séparation des éléments en fonction de leur charge et de leur masse.Le quadripôle est composé de quatre barres cylindriques dont deux ont des tensions continues et les deux autres des tensions alternatives. Cela crée un champ électrique qui permet de dévier les ions légers ou lourds selon le rapport masse sur charge (m/z) désiré. Pour finir, les ions restants sont transmis au détecteur et comptés par un multiplicateur d’électrons. [57, 58]
Figure14: Schéma d’un ICP-MS. [59]
L’ICP-MS est une technique d’analyse sensible dont les limites de détection très faibles
permettant l’analyse d’élément trace ou ultra-trace. En effet, D’Ilio et ses collègues ont développé une méthode d’analyse par ICP-MS afin de déterminer la composition isotopique de l’uranium, soit le 235 et le 238, contenu dans l’aiguillat commun qui est une espèce de requin. [60]
Les tissus biologiques sont digérés dans un four micro-onde avec de l’acide nitrique et du peroxyde d’hydrogène et la limite de détection obtenue pour l’uranium est de 26,2 ng/L. De plus, dans sa thèse, Sabrina Barillet indique que la limite de détection de l’ICP-MS pour les isotopes d’uranium est de 20 ng/L. [18] Ces analyses ont été effectuées sur des tissus de poisson zèbre digérés à l’acide nitrique et au peroxyde d’hydrogène. Cependant, il est également possible d’analyser l’uranium par ICP-OES (voir section suivante).
2.6.2 La spectrométrie d’émission optique par plasma à couplage inductif
(ICP-OES)
L’ICP-OES est une technique d’analyse qui possède une bonne sensibilité, une large gamme de linéarité, une faible sensibilité aux interférences chimiques, une capacité de détection multiélémentaire et de faibles limites de détection. [61] L’ICP-OES permet d’analyser des éléments traces puisque ses limites de détection sont de l’ordre du µg/L (ppb). [62]
Cette technique d’analyse permet de déterminer tous les éléments du tableau périodique à l’exception des éléments artificiels comme le plutonium en raison de sa faible concentration. [63] La mise en solution et l’injection de
l’échantillon à l’intérieur d’un appareil de type ICP-OES sont similaires à l’ICP-MS. Les échantillons sont solubilisés dans un milieu légèrement acide et injectés dans le plasma à argon à l’aide d’un nébuliseur. Le plasma à l’argon qui est également à des températures très élevées allant de 6 000 à 10 000 °C permet d’atomiser et d’ioniser l’échantillon. Cependant, dans le cas d’une analyse par ICP-OES ce n’est pas le rapport masse sur charge qui est important, mais l’émission d’énergie par les atomes excités. Le plasma est assez chaud pour causer un nombre important de collisions et de transfert d’énergie qui va exciter les atomes de l’échantillon. Lors de l’excitation, un électron de l’atome à l’état fondamental est promu vers une orbitale d’énergie plus élevée. Les atomes excités sont alors instables et vont émettre de l’énergie sous forme de lumière, c’est-à-dire un photon. Les photons émis correspondent à des longueurs d’onde qui sont caractéristiques de/des éléments analysés. La lumière émise par les atomes de l’échantillon est donc dirigée vers l’entrée d’un monochromateur qui permet de sélectionner une gamme étroite de longueur d’onde à partir du faisceau lumineux de gamme de longueur d’onde plus large (voir figure 15). Le faisceau est dirigé vers un réseau de diffraction qui va diffracter la lumière de façon parallèle vers un prisme. Finalement, le prisme disperse les longueurs d’onde vers le détecteur. L’élément est déterminé en fonction de la position des rayons photoniques sur le détecteur et la concentration en fonction de l’intensité de ces derniers. [62]
Il a été démontré que la sensibilité de l’ICP-OES est suffisante afin de quantifier l’uranium dans les poissons. En effet, dans une étude portant sur la toxicocinétique, toxicité chimique et radiologique de l’uranium chez le poisson zèbre (Danio rerio), Sabrina Barillet a démontré qu’il est également possible de déterminer la concentration en uranium dans les poissons zèbres. Pour ces analyses, la limite de détection de l’uranium par ICP-OES est de 10 µg/L. Cette limite de détection est suffisante puisque la concentration en uranium dans les systèmes aquatiques varie grandement allant de quelques ng/L à 2 mg/L. [18]