Spectr’atom 2014 Analyse en ligne des actinides dans les urines : mise en place et optimisation du couplage entre la colonne calix[6]arène et l’ICP-MS Thèse débutée en mars 2012 Sarah BAGHDADI Directeur : Gérard COTE UMR 7575 CNRS-ENSCP, Paris Tutrice : Céline BOUVIER-CAPELY IRSN/PRP-HOM/SDI/LRC Fontenay-aux-Roses Pau, 21 mai 2014

Introduction Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Crise Nucléaire! comment sont faîtes les analyses? Accident ou attentat? Des radionucléides relâchés Population contaminée Particules alpha Feuille de papier Faiblement pénétrant Mesure in-vivo difficile (haute LD) → Analyse d’excrétat Attention dans cette diapo et la suivante tu as utilisé une police spéciale, méfie toi que cela passe bien sur tous les ordi !!! (pour ne pas avoir de surprise demain) comment sont faîtes les analyses? Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Methodes traditionnelles Nouvelle approche Etudes précédentes : Spectrométrie α/ ICP-MS CH22 CC44 Pu Am U Urine minéralisée Protocole de routine : Spectrométrie α Thèse: ICP-MS CH22 CC44 U, Pu, Am Urine minéralisée Analyse rapide Dowex TRU spec UTEVA Urine minéralisée Pu U Am ICP-Ms quelques minutes ANALYSE RAPIDE Urgence 7 à 10 jours 3 jours avec une mesure ICP-MS 8 heures Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

2- Stratégie d’extraction Sommaire 1- Préparation des échantillons 2- Stratégie d’extraction 4- Schémas de couplage 5- Paramètres chromatographiques Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

2- Stratégie d’extraction Sommaire 1- Préparation des échantillons 2- Stratégie d’extraction 5- Schémas de couplage 6- Paramètres chromatographiques Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Optimisation de la minéralisation Préparation des échantillons Optimisation de la minéralisation Minéralisation « Classique » Filtration 1 h 4 h Séchage du précipité Calcination 14 h 23 h = Minéralisation par voie humide d’un litre d’urine Précipitation et décantation des phosphates d’alcalino-terreux en milieu basique (pH > 9) Minéralisation « Micro-ondes » 2 h de chauffage 2 h Aspiration du surnageant et centrifugation 20 min 2 h Passage au four à micro-ondes 6 h 20 min = Mesure du carbone organique : Moyenne four (mg) (N=3) Moyenne µ-onde (mg) (N=5) Urines 5336 6497 Minéralisat 1,6 9,7 Avec l’aide de PRP-DGE/SRTG/LAME La matière organique est en grande partie détruite Minéralisation efficace Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

2- Stratégie d’extraction Sommaire 1- Préparation des échantillons 2- Stratégie d’extraction 4- Schémas de couplage 5- Paramètres chromatographiques Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Efficacité d’extraction sur des urines réelles Stratégie d’extraction Protocoles d’extraction 2 résines à base de calix[6]arènes sont disponibles R = -COOH, ou R = -(C=O)NHOH Pu(IV) CH Am(III) CC or CH U(VI) Colonnes Equilibre d’extraction m(Ac) + (LH3)m (LH3-n(Ac) )m+ nH+ Keq=(7,22±0,77).10-5M (B. BOULET, 2006) L’U a une moins bonne affinité pour le CH que Pu et Am et extractions erratique Keq U pour hydroxamique Objectif: 1 seule colonne pH adapté Disponible : CH : Pu(IV) extraction à pH=3 CC : U(VI)/Am(III) extraction à pH=5 Choix: CH pH = 5-5,5 extraction simultanée de U, Pu, Am Efficacité d’extraction sur des urines réelles (53±4) % de U est extrait (91±2) % de Pu est extrait (88±3) % de Am est extrait Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

2- Stratégie d’extraction Sommaire 1- Préparation des échantillons 2- Stratégie d’extraction 4- Schémas de couplage 5- Paramètres chromatographiques Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

[U] = 1,2 µg/L dans NaNO3 à pH = 5,5 Couplage Couplage semi-automatisé - ICP-MS Agilent 7700 serie x muni d’un système ISIS Vérification de la faisabilité du couplage Optimisation des paramètres chromatographiques Hors couplage 1/ Extraction : Solution d’uranium : [U] = 1,2 µg/L dans NaNO3 à pH = 5,5 U U Couplé 2/ Rinçage : NaNO3 U Poubelle U Colonne :1g de résine U U Valve 6 voies U U 3/ Elution : HNO3 1M Et dire qu’on a choisi d’étudier dans un premier temps les paramètres chromato avec ces conditions expérimentales afin de mieux maitriser ce qui se passe en solution et avoir des conditions reproductibles d’une manip à l’autre ICP-MS U U U Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Trois colonnes de diamètres : 6, 10, 15 mm Couplage Couplage semi-automatisé - ICP-MS Agilent 7700 serie x muni d’un système ISIS Influence du diamètre de la colonne Trois colonnes de diamètres : 6, 10, 15 mm Quantité de résine identique : 1 g Débit d’élution fixé : 1,1 mL/min avec HNO3 1M Solution de nitrate de sodium : 3,4g/L Uranium 238 Rendement d’extraction : 85 % Rendement d’élution : 67 % Diamètres Mettre en plus gros caractère les paramètres que tu as fait variés. Ici entraine-toi à dire que le signal est augmenté d’un facteur 30 par rapport au signal ICP obtenu pour la même solution d’élution mais analysée hors couplage. Et conclure «  Cela augure un abaissement des limites de détection par rapport à l’analyse ICP-MS hors couplage ». Et utilise la même phrase pour la diapo29 Amélioration du signal par rapport à l’injection non couplée de 30 mL d’éluant : x 30 Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Choix de colonne : 10 mm de diamètre Couplage Couplage semi-automatisé - ICP-MS Agilent 7700 serie x muni d’un système ISIS Influence du diamètre de la colonne : méthode des plateaux théoriques   avec A B Monographie « Introduction à la pratique de la chromatographie ionique », Dipl.-Ing. Claudia Eith, Prof. Dr. Maximilian Kolb, Prof. Dr. Andreas Seubert, Dr. Kai Henning Viehweger (éditeur), Metrohm Hauteurs de plateaux théoriques (cm) N=4 Choix de colonne : 10 mm de diamètre Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

L’asymétrie du pic diminue quand le temps de rétention augmente Couplage Couplage semi-automatisé - ICP-MS Agilent 7700 serie x muni d’un système ISIS Influence du débit d’élution Diamètre de colonne fixé : 10 mm Quantité de résine identique : 1 g Débit d’élution variable : 0,163 à 1,3 mL/min Solution de nitrate de sodium : 3,4 g/L 1,3 mL/min 0,65mL/min 0,325mL/min 0,163mL/min Mettre en plus gros caractère les paramètres que tu as fait variés. Compromis à trouver entre l’efficacité de la colonne et la durée de l’analyse 0,325 mL/min semble la meilleure option N = 400 t = 15 min L’asymétrie du pic diminue quand le temps de rétention augmente Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Chromatogramme de U, Pu et Am Couplage Analyse 238U (1,2µg/L=14mBq/L),239Pu (0,317µg/L=729Bq/L),243Am (0,002µg/L=14,8 Bq/L) Solution de NaNO3 3,4 g/L à pH = 5, Elution avec² HNO3 2M à 0,82 mL/min Diamètre de colonne fixé : 10 mm Quantité de résine identique : 1 g U Pu Am Pu et Am sont élués à des temps de rétention similaires à U Am : signal x 30 Pu : signal x 14 Séparation en masses au niveau de l’ICP-MS Interférence potentielle 238U1H 239Pu Chromatogramme de U, Pu et Am Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Facile à mettre en œuvre (spectrométrie α – 1 mBq/L - acide) Couplage Etalonnage externe en hauteur de pics sur uranium ø=10 mm; débit=0,325 mL/min Facile à mettre en œuvre Efficace : R2=0,9958 Limite de détection appareil 10 blancs NaNO3 : prise d’essai = 50 mL signal moyen = 3115 cp/0,1s RSD=0,26 σ = 803,2 LDNaNO3 = 17,2 ppt = 0,21 mBq/L (spectrométrie α – 1 mBq/L - acide) Trop long : 2h par point t>8h Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Dosage de 238U en présence d’un traceur interne : 233U Couplage Dosage de 238U en présence d’un traceur interne : 233U Facile à mettre en œuvre Est-ce efficace pour doser 238U dans NaNO3 ? [233U]=0,48 ppb [238U]=1,11 ppb Valeur théorique : [238U]=1,14 ppb %erreur = 2,5 % 55 min : dans la limite de temps impartie Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

1/ Urines minéralisées (voies 1 à 10) Couplage Couplage automatisé - ICP-MS Agilent 7700 serie x Poubelle 3/ Multi élution ICP-MS Colonne Vanne 6 voies 4/ Reconditionnement (Tampon acétate) voie 12 Vanne 12 voies 1/ Urines minéralisées (voies 1 à 10) 2 et 4/NaNO3 voie 11 P1 Pompe isocratique P2 Pompe quaternaire Voie A : carrier 1 2 3 4 5 6 Position 1 : chargement Position 2 : injection purge V1 V2 Mettre en français les termes chargement au lieu de load et injection au lieu de inject Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Les hauteurs de plateaux théoriques confirment les optimisations Couplage Couplage automatisé - ICP-MS Agilent 7700 serie x tanalyse=54 min Plateaux théoriques Hauteurs de plateaux théoriques (cm) Dans la légende de l’axe des y mettre plateaux théoriques au pluriel comme pour tes précédentes diapo. Les hauteurs de plateaux théoriques confirment les optimisations Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Conclusions et perspectives Préparation des échantillons Minéralisation totale Dans la limite de temps imposée < 8h Nouveau protocole d’entraînement des actinides limitant la présence de phosphates Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Conclusions et perspectives Stratégie d’extraction Extraction U, Pu, Am extraits simultanément Extraction quantitative sur 1 seule colonne Extraction de U dépendante de la concentration en PO43- naturels Modélisation de la spéciation de U dans l’urine minéralisée Ici il me semble qu’il ne faut pas dire que l’élution est déjà quantitative (sinon on aurait plus grand-chose à optimiser) mais plutôt dire que les essais réalisés jusqu’à présent montrent que l’élution des actinides est efficace avec des rdts > 70 %, mais il faut encore affiner cette étape d’élution afin d’avoir une élution quantitative pour abaisser les LD et aussi en vue de la réutilisation de la colonne. Les résultats montrent que l’éluant doit avoir à la fois des propriétés acido-basiques mais aussi complexantes et/ou oxydo-reductrices pour être très efficace et qu’il faut trouver un compromis l’efficacité de l’éluant et la compatibilité avec la mesure ICP (en termes de charge saline et acidité). Ne pas mettre HNO3 conc mais HNO3 car ici on ne donne pas de détail sur les conc des éluants Elution Elution > 70 % de U, Pu, Am Affiner l’éluant : HCl, HNO3 conc., NH4OCl, oxalates, … Propriétés acido-basiques, complexantes, oxydo-réductrices Compromis efficacité/compatibilité ICP-MS Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Conclusions et perspectives Couplage Paramètres chromatographiques sur solution d’uranium Diamètre : 10 mm Débit d’élution : 0,325 mL/min Analyse en moins de 8h minéralisation incluse !! Mettre syst semi automatisé plutôt que syst ISIS Couplage Automatisé Résultats confirment les paramètres optimisés sur le système semi-automatisé Déterminer les limites de détection sur une solution de nitrate d’uranyle Valider les paramètres sur des urines réelles Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Remerciements LAME LRC RM2D Céline Bouvier-Capely Gérard Cote Grégory Lefèvre Céline Fosse Et toute l’équipe du RM2D RM2D Aurélie Ritt Evelyne Barker Sylvain Bassot Et toute l’équipe du LAME LAME Alexandre Legrand Annabelle Manoury Aurélie Sylvain Clément Beyaert François Rebière Et toute l’équipe du LRC LRC Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014

Merci de votre attention Spectr'atom 2014-Sarah Baghdadi-21/05/2014