Techniques analytiques classiques (BSIA)

Le « bulk stable isotope analysis » (BSIA) consiste en la mesure simultanée des isotopes d’un élément sans séparation préalable. Pour le Hg, cette analyse considère donc la fraction totale HgT dans le foie pouvant contenir initialement les formes résumées dans la Figure 37.

Figure 37 : Différentes espèces de Hg potentiellement analysées lors d’analyses en BSIA

Préparation des échantillons

Entre 0,05 et 0,5 g d’échantillon frais sont pesés dans un tube en Pyrex pour digestion micro- onde de 25 mL. Cinq millilitres d’acide nitrique bi-distillés (15 mol.L-1) sont ensuite ajouté et le tube est fermé avec des bouchons en Téflon. La digestion de l’échantillon s’effectue en système fermé pendant 5 minutes à 180°C à pression maximale de 28 bars (micro-onde CEM Discover). La solution est ensuite diluée dans une matrice eau régale inverse (3 HNO3 : 1 HCl, 20 vol.%) pour l’analyse. La

concentration finale atteint entre 0,5 et 2 ng.g-1. Par cette méthode, le rendement moyen obtenu sur les échantillons est de 98±7% (SE) contrôlé par le signal 202Hg sur MC-ICPMS (en comparaison de la solution standard NIST3133). Plusieurs tests ont été effectués avec et sans ajout de BrCl (0,2 mol.L-1 dans 10 mol.L-1 de HCl) et aucune différence n’a été détectée confirmant l’oxydation totale de Hg et absence de liaisons avec les graisses et autres ligands organiques. Une digestion complète (>85% de rendement) est indispensable afin d’écarter tout fractionnement lors de la préparation de l’échantillon. Ce protocole a été appliqué sur tous les échantillons de bio-monitoring et il permet de déterminer la composition isotopique sur la fraction totale du Hg sans distinction (ou BSIA).

77

Analyse de la composition isotopique en Hg

La technique analytique classique des isotopes stables du Hg s’effectue au moyen d’un spectromètre de masse à multi collection (MC-ICPMS). Brièvement, l'analyse des échantillons par MC-ICP-MS peut être divisée en trois étapes : ionisation, séparation en masse, détection. L’ionisation se fait de façon thermique dans une torche à plasma (entre 6000 et 10000°C). L’Electrostatic Analyser (ou ESA) provoque une première déviation des ions en fonction de leur énergie cinétique. Les ions sont déviés à nouveau de 90° dans le secteur magnétique (aimant) en fonction de leur rapport masse/charge, induisant un chemin variable des isotopes selon leur masse, en relation avec la force de Lorenz qui s’applique sur eux. A la sortie de l’aimant, le faisceau ionique est scindé en autant de sous- faisceaux qu’il y a d’isotopes, chacun se déplaçant selon une trajectoire propre. Une fois séparés, les isotopes sont recueillis dans des cages de Faraday (huit mobiles de part et d’autre d’une cage centrale fixe) générant un signal électrique amplifié permettant la détermination de leur abondance relative. Afin de limiter les interférences isobariques, le Hg est introduit séparé de la matrice par un système de vapeur froide (cold vapor, CV). Les échantillons pré-minéralisés/digérés sont mélangés en-ligne avec SnCl2 (5% m:m dans 10% m:m HCl) menant à la réduction de Hg

2+

en Hg0 et poussés ensuite vers la torche à plasma par un flux d’argon. Le couplage entre le générateur de vapeur froide et le MC- ICPMS est présenté sur la Figure 38.

Figure 38 : Schéma descriptif du couplage CV-MC-ICPMS utilisé lors de l’analyse de la composition isotopique du Hg

en solution au GET. Adapté de (Zambardi, 2011)

78 Cette technique a été utilisée pour la première fois sur le Hg par Lauretta et al. (2001), sur des chondrites (Lauretta et al., 2001). Cette méthode obtenait des précisons de l’ordre de 0,2 à 0,5‰ (Lauretta et al., 2001). Aujourd’hui la précision atteint typiquement 0,1‰ sur δ202Hg et sur Δ199Hg (Bergquist and Blum, 2007). Cette configuration représente la méthode de référence employée pour la mesure des isotopes du Hg. Le NIST SRM 3133 a été par la suite proposé par Blum et Bergquist (2007) comme standard de référence à employer par la communauté scientifique travaillant sur les isotopes du Hg (Blum and Bergquist, 2007). Ainsi, les échantillons et ce standard sont analysés alternativement afin de corriger le biais de masse de la machine en appliquant la correction appelée « sample-standard bracketting ». La notation delta (δ) tient compte de ce standard et permet la comparaison des ratios isotopiques entre tous les laboratoires :

Pour Hg:

Un ou plusieurs standards externes sont également analysés pour chaque série de mesures (exemple : UM-Almadén, provenant du Hg liquide extrait de la mine de cinabre d’Almadén, Espagne) afin de valider la justesse des compositions isotopiques en Hg mesurées dans l’échantillon. En général, on choisit des géo-standards de référence (certifiés en concentration) dont la matrice est proche de l’échantillon étudié et dont les compositions isotopiques ont déjà été mesurées. Lors de cette thèse, nous avons analysé au cours de chaque session le standard de foies frais de baleine Pygmy sperm NIST-QC03LH03 dont la matrice est similaire à nos échantillons. Des valeurs consensus ont été déterminées et sont présentées dans le Chapitre 4. Un exercice d’inter-comparaison organisé par le NIST a été effectué sur l’échantillon frais de truites de lac NIST-SRM-1947. Nos mesures sont en accords avec les valeurs obtenues par des laboratoires divers confirmant la précision et la justesse des mesures réalisées au laboratoire du service ICP-MS de l’Observatoire Midi-Pyrénées.

En règle générale, le CV-MC-ICPMS peut seulement mesurer des échantillons dont la concentration est relativement haute (>0,25 ng.g-1). Les récents développements des techniques de séparation de matrice et de pré-concentration devront permettre l’analyse d’échantillons à faibles concentrations comme les eaux naturelles ou les précipitations atmosphériques par exemple (Chen et al., 2010; Chen et al., 2012).

79