NanoSIMS N50

La plateforme NanoSIMS du MNHN est un service national de l’INSU-CNRS. Il est hébergé par l’IMPMC (Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie – UMPC/CNRS/IRD/MNHN, Paris). La NanoSIMS est financée en partie par la plateforme analytique du MNHN, par l’INSU-CNRS et par les utilisateurs eux-mêmes.

L’instrument principal est la sonde ionique Cameca NanoSIMS N50. Un MEB JEOL JSM840 SEM équipé d’une microanalyse Genesis XM2 est également accessible aux utilisateurs. De même, la plateforme possède le matériel périphérique nécessaire à la préparation des échantillons, à leur métallisation (Au ou C) et à leur observation préliminaire…

SIMS est l’acronyme pour "Spectrométrie de masse à ionisation secondaire". Cet instrument repose sur la possibilité d’effectuer de la spectrométrie de masse à partir d’un faisceau d’ions secondaires éjectés d’une cible solide par un faisceau primaire de particules chargées. Les ions secondaires sont arrachés aux premières couches atomiques de la cible. Par conséquent, si la SIMS à proprement parler, est une technique analytique destructive, l’endommagement de l’échantillon est souvent considéré comme négligeable. Le rendement de formation des ions secondaires d’un échantillon particulier dépend de nombreux paramètres comme la chimie de l’échantillon, la structure cristalline et les conditions d’analyse. Toutefois, en général, cette spectrométrie offre une haute (et parfois très haute) sensibilité à la plupart des éléments du tableau périodique. Les limites de détections sont fréquemment de l’ordre de quelques ppb.

 Photo : © IMPMC

La NanoSIMS N50 est une sonde ionique capable d’attaquer la surface d’un échantillon par un faisceau primaire de Cs⁺ ou de O^-. La focalisation de ces faisceaux est respectivement de ~50 et ~150 nanomètres. Sur des échantillons non-conducteurs, le bombardement avec un faisceau de Cs⁺ entraine de forts effets de charge. Une telle accumulation de charges positives est alors compensée par des électrons déposés à la surface de l’échantillon par un canon à électron. Par la suite, les ions secondaires arrachés à l’échantillon et chargés de manière opposée au faisceau primaire sont transférés dans un spectromètre de masse à haute résolution et opérant en multicollection. La NanoSIMS combine donc la grande résolution spatiale à la surface d’un échantillon et la haute résolution de masse d’un spectromètre de masse ainsi qu’un grande sensibilité analytique. Surtout, les images ioniques de la surface des échantillons peuvent être réalisées en contrôlant précisément le balayage de la surface par le faisceau primaire. Cette technologie permet ensuite d’imager à haute précision les variations chimiques en éléments majeurs et traces ainsi qu’en isotopie ; et ce autant sur des matériaux conducteurs qu’isolants (en incluant du matériel biologique) et avec une résolution meilleure que le micromètre.

La NanoSIMS est équipée d’un système de multicollection permettant la collecte simultanée de 5 isotopes différents (c’est à dire de collecter 5 images différentes à partir d’un seul balayage de l’échantillon). Cette capacité peut par exemple permettre de former des images ou des cartographies élémentaires et isotopiques d’un échantillon hétérogène. De telles images peuvent être formées aussi bien pour des éléments légers comme H (e.g. D/H ratios), C (¹³C/¹²C ratios), N (¹⁵N/¹⁴N ratios), O (¹⁷O/¹⁶O and ¹⁸O/¹⁶O ratios) et S (e.g. ³⁴S/³²S ratios) que pour les éléments les plus lourds du tableau périodique comme l’uranium.

La NanoSIMS est développée également pour former des images de forts contrastes chimiques et isotopiques sur des échantillons solides lorsqu’une excellente résolution spatiale est nécessaire (au dessous du micron). La résolution analytique est cependant plus modeste dans ce cas de figure. La NanoSIMS est donc un instrument idéal pour analyser les résultats d’un marquage isotopique sur du matériel biologique par exemple.

Dans sa configuration actuelle, notre multicollection est équipée de 4 chariots mobiles et d’un chariot fixe. Ces 5 positions sont équipées de multiplicateurs d’électrons qui enregistrent l’arrivée individuelle des ions secondaires avec un taux excédent largement 100000 coups par secondes. En plus, deux chariots mobiles sont équipés de cages de Faraday qui permettent l’analyse de faisceaux secondaires plus intenses. Ceci permet, dans certaines conditions d’obtenir une meilleure précision sur la mesure.

Architecture de la NanoSIMS N50