Laboratoire

Détermination de la composition élémentaire par l'analyse par activation neutronique

juin. 26 2019

L’Analyse par Activation Neutronique (AAN) est une méthode analytique sensible et précise pour les éléments traces. Les échantillons sont irradiés dans un réacteur nucléaire, puis les rayons gamma caractéristiques émis lors de la désintégration radioactive sont analysés. Ces signatures énergétiques distinctes permettent l’identification des éléments ciblés, mais aussi leur quantification puisque l’intensité est proportionnelle à la concentration dans l’échantillon. Cette méthode nécessite peu ou pas de préparation de l’échantillon, évitant ainsi plusieurs problématiques communes aux autres techniques: dissolution incomplète, perte d’éléments volatiles ou contamination par des produits chimiques présents au laboratoire. L’analyse par activation neutronique n’est pas influencée par l’incertitude provenant de l’étalonnage qui est associée aux méthodes d’analyses chimiques pour les éléments traces. Ceci ajoute à la précision de la méthode par AAN.

L’AAN est considérée comme une méthode de niveau référence puisque basée uniquement sur les propriétés nucléaires bien connues et caractérisées, plutôt que sur les propriétés chimiques des éléments. La forme chimique des éléments présents dans l’échantillon n’a donc pratiquement aucun effet sur les résultats. Cette technique sensible fournit des données analytiques d’une qualité telle qu’elle est utilisée par le National Institute of Standards and Technology (NIST), en plus d’autres instituts de métrologie, pour certifier leurs échantillons étalons. L’AAN est également utilisée pour vérifier l’homogénéité des matériaux de référence dû à son étendue et sa capacité d’analyse d’éléments multiples. La précision de l’AAN en fait une technique analytique de choix pour la certification de composition élémentaire totale, mais également pour la comparaison avec d’autres techniques analytiques utilisées pour les éléments traces.

Quand l’analyse par activation neutronique doit-elle être considérée?

  • Quand la précision est importante
  • Pour vérifier les résultats d’une méthode d’analyse chimique
  • Pour un programme de contrôle de la qualité qui valide la pureté
  • Pour les matrices difficiles à analyser et réfractaires à la digestion
  • Pour les éléments enclins à la perte (ex. éléments volatiles) ou à la contamination

Quels sont les avantages de l’aan?

Étant donné sa capacité à analyser plusieurs éléments et son étendue d’analyse dynamique, l’AAN est utilisée pour vérifier l’homogénéité de matériaux de référence. La précision de l’AAN en fait une méthode intéressante pour la certification de la composition élémentaire et pour la comparaison avec d’autres techniques d’analyse d’éléments traces.

  • Résultats indépendants de la forme chimique de l’élément
  • Libre de contamination provenant de produits chimiques du laboratoire
  • Peu ou pas de préparation de l’échantillon
  • Effets de matrice limités
  • Applicable à la plupart des matrices: liquides, filtres à airs, et solides – quartz, graphite, textiles, plastiques/polymères, aliments, sol et roche, poterie et produits issus de l’industrie pétrolière
  • Analyse économique de 30+ éléments*
  • Capacité d’analyser de gros (40g) échantillons, minimisant les erreurs de sous-échantillonnage
  • Sensibilité jusqu’aux parties par milliard (ppb) pour certains éléments
  • Efficace lorsque seulement quelques milligrammes d’un matériau précieux sont disponibles pour analyse
  • Fournit une analyse totale de l’échantillon et non seulement ce qui est extractible ou détectable en surface, comme dans le cas d’autres techniques analytiques

*L’AAN ne convient pas à l’analyse du plomb, du bismuth ou du phosphore.

Applications communes de l’aan

Les géologues et les compagnies minières utilisent l’AAN pour analyser l’or et autres éléments qui y sont associés, tels que l’arsenic et l’antimoine, dans les sédiments de lacs et autres cours d’eau.

Applications en exploration géochimique

Tableau 1 : Trousse Or +33 (limites de détection types)

ÉLÉMENTS ppm ÉLÉMENTS ppm ÉLÉMENTS ppm
Antimoine 0,1 Iridium 0,05 Tantale 0,5
Arsenic 0,5 Fer 2 000 Tellure 10
Baryum 50 Lanthanum 2 Terbium 0,5
Brome 0,5 Lutécium 0,2 Thorium 0,2
Cadmium 5 Molybdène 1 Étain 100
Cérium 5 Nickel 10 Tungstène 1
Césium 0,5 Rubidium 5 Uranium 0,2
Chrome 20 Samarium 0,1 Ytterbium 2
Cobalt 5 Scandium 0,2 Zinc 100
Europium 1 Sélénium 5 Zirconium 200
Or 0,002 Argent 2    
Hafnium 1 Sodium 200    

Halogènes

L’AAN est utilisée pour mesurer le chlore total et le brome dans les roches et les minerais. Les autres techniques causent des problèmes de dissolution et de contamination en raison de la volatilité des éléments et de leur utilisation dans les acides minéraux.

Éléments du groupe du platine (EGP)

L’AAN fournit des résultats pour les six EGP en comparaison avec les techniques traditionnelles d’analyse au feu qui mesurent généralement le platine et le palladium, comme le montre le tableau 2.

Tableau 2 : Éléments du groupe du platine

ÉLÉMENTS ppb ÉLÉMENTS ppb ÉLÉMENTS ppb
Platine 20 Rhodium 5 Ruthénium 50
Palladium 20 Iridium 1 Osmium 10

Prospection biogéochimique

Tableau 3 : Éléments clés analysés dans la végétation et l’humus**

ÉLÉMENTS ppb ÉLÉMENTS ppb ÉLÉMENTS ppb
Or 0,2 ppb Arsenic 0,1 ppm Sélénium 0,5 ppm
Antimoine 0,02 ppm Mercure 0,05 ppm Tungstène 0,5 ppm

**Aucune incinération nécessaire

Iridium

Une quantité inhabituelle d’iridium dans une couche de roche peut indiquer qu’il s’agit d’un impact météorique. On utilise l’AAN pour enquêter sur les anomalies d’iridium parce qu’elle permet de mesurer la présence de celui-ci à des niveaux inférieurs à la partie par milliard (ppb).

Quartz et carbone

L’AAN permet de mesurer facilement les niveaux d’impureté d’ultra-traces dans le sable quartzeux et dans les plaquettes de silice, comme le montre le tableau 4. De même, l’AAN peut être appliquée à l’analyse du graphite et du carbone. Il n’est pas nécessaire de mettre la matrice difficile dans une solution et des échantillons de grande taille peuvent être traités. L’AAN est utilisée pour mesurer les impuretés à des fins de contrôle de la qualité lors de la fabrication de semi-conducteurs, de cellules solaires, de lentilles, de fibres optiques et de dispositifs d’éclairage. Détection similaire.

Tableau 4 : Limites de détection types le plus souvent mesurées dans le quartz

ÉLÉMENTS^ ppb ÉLÉMENTS^ ppb ÉLÉMENTS^ ppb
Antimoine 0,1 Lanthanum 10 Sodium 20
Arsenic 0,1 Lutécium 0,5 Tantale 1
Cérium 40 Mercure 0,5 Thorium 1
Césium 2 Molybdène 2 Tungstène 0,1
Cobalt 15 Potassium 100 Uranium 0,3
Cuivre 100 Argent 10    

^D'autres éléments sont disponibles.

Iode dans la nourriture et les aliments pour animaux de compagnie

L’AAN est utilisée pour mesurer l’iode ajouté à la nourriture et aux aliments pour animaux de compagnie. Les échantillons étant analysés directement, sans avoir à être chauffés ou dissous, il n’y a aucune perte de l’élément volatile et il est donc possible de rapporter l’iode total. En plus de l’iode, du chlore et du brome, il est possible de détecter plusieurs autres concentrations d’éléments puisque ceux-ci sont analysés simultanément à l’iode.

Tableau 5 : Limites de détection types des impuretés le plus souvent mesurées dans la nourriture et les aliments pour animaux de compagnie

ÉLÉMENTS^ ppm ÉLÉMENTS^ ppm ÉLÉMENTS^ ppm
Aluminum 100 Chlore 20 Manganèse 1
Brome 1 Iode 0,1 Sodium 5
Calcium 100 Magnésium 100    

^D'autres éléments sont disponibles.

Produits médicaux et recherche

Des nanoparticules d’argent sont ajoutées à certains produits pour prévenir la croissance de bactéries, réduire le risque d’infections et accélérer la guérison. On en trouve entre autres dans les bandages, vêtements, seringues, cathéters vésicaux, tubes respiratoires ainsi que dans les lentilles cornéennes et dans leur étui. Des recherches sont également en cours pour évaluer les effets potentiels des nanoparticules d’or et d’argent sur le traitement du cancer.

L’AAN est la méthode d’analyse de préférence pour les nanoparticules d’or et d’argent parce qu’elle permet de mesurer les échantillons directement et, ainsi, de donner plus précisément la concentration totale de l’élément. Cette précision est utile à des fins de contrôle de la qualité pour s’assurer que la quantité de nanoparticules ajoutée au produit est suffisante pour créer l’efficacité biocide.

Huiles et plastiques

L’AAN est utilisée pour l’analyse des éléments traces des plastiques, des huiles et des polymères afin de déterminer leurs additifs et contaminants. La préparation des échantillons pour une AAN n’exige rien de particulier et elle permet donc l’analyse directe des matrices qui sont plus difficiles à préparer pour d’autres méthodes. Voir le tableau 6 pour les limites de détection.

Tableau 6 : Les limites de détection types des éléments le plus souvent mesurés dans le polyéthylène**

ÉLÉMENTS ppm ÉLÉMENTS ppm ÉLÉMENTS ppm
Aluminum 5 Cuivre 1 Potassium 10
Baryum 1 Iode 0,05 Sodium 5
Calcium 5 Magnésium 50 Vanadium 0,01
Chlore 2 Manganèse 0,1    

Caractérisation des matériaux archéologiques

L’AAN est utilisée pour la caractérisation d’artéfacts archéologiques (poterie, obsidienne, silex, basalte et calcaire) et pour lier les profils élémentaires aux matières brutes géographiques. Les archéologues ont ainsi pu en apprendre davantage sur les routes commerciales au temps de la préhistoire et sur la circulation des personnes.

L’AAN peut être effectuée en utilisant seulement une très petite portion de ces précieux artéfacts et elle peut mesurer 34 éléments en même temps et fournir un profil élémentaire à des fins de comparaison.

Fluor

En raison de sa nature volatile, le fluor est difficile à mesurer en laboratoire puisqu’on en perd une partie lors de la préparation des échantillons propre à certaines méthodes. Dépendamment de la matrice, l’AAN a l’avantage d’améliorer la sensibilité (1 ppm) comparée aux mesures effectuées avec des électrodes pour ions sélectifs (50-60 ppm).

Pour ces raisons, et à des fins de contrôle de la qualité, l’AAN est utilisée pour mesurer la quantité de fluor dans plusieurs produits :

  • Industrie du textile – composés du fluor ajoutés aux fibres du tapis et aux vêtements pour améliorer la résistance à l’eau, à l’huile et aux taches et pour améliorer leur durabilité.
  • Polymères – la dissolution des polymères peut être extrêmement difficile pour les autres méthodes d’analyse.
  • Produits d’hygiène buccale – fluor ajouté au dentifrice et au rince-bouche.
  • Produits pharmaceutiques – environ 20 % des produits pharmaceutiques contiennent du fluor.

Datation par luminescence

La datation par luminescence mesure la dernière exposition au soleil d’un objet. Cette méthode est importante pour effectuer la datation d’artéfacts archéologiques.

Bureau Veritas peut donner les mesures précises des éléments qui produisent des rayonnements ionisants (uranium, thorium, potassium et rubidium). Voir le tableau 7 pour les limites de détection. Les données sont utilisées pour calculer l’âge d’un objet à l’aide des lectures de luminescence. La précision (l’incertitude) est rapportée avec les résultats.

Tableau 7 : Datation par luminescence

ÉLÉMENTS ppm ÉLÉMENTS ppm ÉLÉMENTS ppm
Potassium  50 Uranium 1 Rubidium 10
Thorium 0,5        

 

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