vignette| Spectromètre de masse à ionisation thermique. A gauche se trouve la chambre à vide, au centre l'électroaimant et à droite le détecteur d'ions. La spectrométrie de masse à ionisation thermique (en , TIMS), également connue sous le nom d'ionisation de surface, est une technique très sensible de caractérisation par spectrométrie de masse isotopique qui consiste à chauffer un échantillon sur un filament afin de l'ioniser et séparer les ions formés selon leur rapport masse/charge dans un champ magnétique pour mesurer les rapports isotopiques.
Fonctionnement Les rapports isotopiques des radionucléides sont utilisés pour obtenir une mesure précise pour l'analyse élémentaire d'un échantillon. Les ions monovalents de l'échantillon sont formés par l'effet d'ionisation thermique. En effet, un échantillon liquide chimiquement purifié au préalable est placé sur un filament métallique qui est ensuite chauffé pour évaporer le solvant. Lorsque le filament atteint une température suffisante, un électron est libéré de l'échantillon et ionise les atomes présents. Le TIMS utilise un analyseur de masse à secteur magnétique pour séparer les ions en fonction de leur rapport masse/charge. Ces derniers acquièrent de la vitesse grâce à un gradient de potentiel électrique et sont focalisés en un faisceau par des lentilles électrostatiques. Le faisceau d'ions traverse ensuite le champ magnétique de l'électroaimant où il est divisé en faisceaux d'ions distincts en fonction du rapport masse/charge de l'ion. Ces faisceaux à résolution massique sont dirigés vers un détecteur où ils sont convertis en tension. La tension détectée est ensuite utilisée pour calculer le rapport isotopique.
Source d'ionisation Les filaments utilisés sont fabriqués à partir de tantale (Ta), de tungstène (W), de platine (Pt) ou de rhénium (Re). De manière conventionnelle, le TIMS utilise deux filaments. Un des filaments est destiné à l'échantillon et est appelé filament échantillon, où l'échantillon liquide est placé et ensuite évaporé. Les analytes évaporés se déposent ensuite sur l'autre filament, également connu sous le nom de filament d'ionisation, où ils sont ionisés.
vignette|Deux filaments en spectrométrie de masse à ionisation thermique. Il est aussi possible de n'utiliser qu'un seul filament : une fois l'échantillon évaporé, les analytes peuvent se redéposer sur le même filament pour être ionisés.
L'utilisation d'un système à triple filament ou à multifilaments améliore l'efficacité d'ionisation et permet de contrôler séparément le taux d'évaporation et d'ionisation.
Les filaments doivent être chargés d'activateurs qui empêchent l'évaporation de l'élément souhaité et augmentent ou diminuent le potentiel d'ionisation du filament. Il en résulte une efficacité d'ionisation élevée et un rendement total supérieur. L'activateur le plus courant est le gel de silice/acide phosphorique pour le Pb.
Les filaments se trouvent dans un vide pouvant atteindre des températures allant de 400 à 2300 °C. Afin d'éviter tous dégâts aux filaments, ceux-ci sont solidement fixés sur une tourelle d'échantillons en forme de carrousel qui comporte normalement 10 à 20 ensembles de filaments. Le processus d'évaporation est généralement effectué à des températures relativement basses en échange de signaux durables et d'un fractionnement isotopique mineur. La partie ionisation nécessite des températures élevées pour assurer une bonne efficacité d'ionisation.
Les ions émis ont une faible dispersion spatiale et énergétique, ce qui rend un analyseur de masse à secteur magnétique à focalisation unique ou des quadripôles appropriés. Les détecteurs les plus couramment utilisés pour le TIMS sont la cage de Faraday, le détecteur Daly et le multiplicateur d'électrons. Les sources d'ions TI sont généralement assemblées avec des systèmes multicollecteurs (MC).
Mécanisme d'ionisation thermique Lorsque le filament chauffe l'échantillon liquide, les niveaux de Fermi au sein de l'échantillon atteignent la parité avec ceux du métal. Cela permet à son tour à un électron de passer par effet tunnel de l'échantillon au filament métallique. Par conséquent, des ions positifs se forment à partir de l'échantillon qui a perdu un électron. Ce transfert d'électrons entraîne également la formation d'ions négatifs. Il existe ensuite deux types d'ionisations thermiques dont l'une est l'ionisation thermique positive (P-TI) et la seconde est l'ionisation thermique négative (N-TI). La production d'ions est paramétrée par l'équation d'ionisation de Saha ou l'équation de Saha-Langmuir.
Mesure du rapport isotopique Les abondances relatives des différents isotopes sont ensuite utilisées pour décrire le fractionnement chimique des différents isotopes, leur déplacement dans différents réservoirs d'isotopes non radiogéniques, et l'âge ou l'origine des objets du système solaire par la présence d'isotopes fils radiogéniques.
L'analyse élémentaire est une application prédominante de la TIMS car celle-ci fournit des rapports isotopiques fiables. Suivant la tendance à la diminution de l'énergie d'ionisation, les éléments situés en bas à gauche du tableau périodique sont viables pour la TIMS. De plus, la forte affinité électronique observée dans le coin supérieur droit du tableau périodique fait de ces non-métaux d'excellents candidats. Cette technique est largement utilisée en géochimie isotopique, en géochronologie et en cosmochimie.
Les techniques de rapport isotopique quantitatif comprennent la spectrométrie de masse à ionisation thermique par dilution isotopique (ID-TIMS) et la spectrométrie de masse à ionisation thermique par abrasion chimique (CA-TIMS).
La méthode de dilution isotopique est utilisée car l'intensité du signal dans le TIMS n'est pas proportionnelle à la quantité placée dans le TIMS.
Pour la datation, les spectromètres de masse à secteurs magnétiques offrent une meilleure précision qu'un spectromètre de masse quadripolaire ou un analyseur de masse quadripolaire. Les spectromètres de masse à plasma à couplage inductif-quadripôle permettent une précision encore plus élevée dans la détection des variations des rapports isotopiques dues à la désintégration radioactive. Plus la précision est grande, plus la résolution de la datation de l'âge est élevée.
Références
Voir aussi Spectrométrie de masse à rapport isotopique
Catégorie:Spectrométrie de masse