IRAMAT Centre Ernest Babelon - UMR 5060


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Spectrométrie de masse à plasma avec prélèvement par ablation laser (LA-ICP-MS)

Les méthodes d’analyse utilisées par le Centre Ernest-Babelon jusqu’au début des années 1990 étaient essentiellement des méthodes nucléaires (activation neutronique et protonique, PIGME) ou atomiques (PIXE), développées à partir des accélérateurs de particules Cyclotron et Van de Graaff du CEMHTI. Ces méthodes, qui donnent d’excellents résultats, présentent cependant des contraintes et ont certaines limites. Mais elles restent indispensables pour certaines études (voir méthodes d’activation).

Au début des années 1990, nos investigations se sont portées vers une méthode atomique : la spectrométrie de masse couplée à un plasma inductif (ICP-MS), et plus particulièrement vers son couplage avec l’ablation laser en tant que méthode d’échantillonnage (LA-ICP-MS). Après une étude préliminaire des potentialités de cette méthode, effectuée en collaboration avec le Service Central d’Analyse du CNRS à Solaize, sous la forme de plusieurs campagnes d’analyses entre 1991 et 1994, le laboratoire a acquis en 1994 un spectromètre de masse quadripolaire VG Plasmaquad 2XS, couplé au départ à un système d’ablation laser infra rouge (Nd-YAG à 1064 nm), qui a été remplacé en 1996 par un système d’ablation UV (NdYAG à fréquence quadruplée à 266 nm). Le Centre Ernest-Babelon a ainsi joué un rôle précurseur dans le développement de cette technique qui est aujourd’hui très répandue au sein des laboratoires d’archéométrie.

Depuis 2009, le laboratoire est équipé d’un spectromètre de masse à secteur magnétique et à gamme dynamique étendue Element XR de Thermofisher. Ce spectromètre peut être couplé à deux systèmes d’ablation laser : un laser NdYAG à fréquence quadruplée (266 nm), et depuis le printemps 2014 à un laser excimer (193 nm). Cet ensemble instrumental constitue une plateforme analytique commune à trois laboratoires du campus orléanais : IRAMAT-CEB, ISTO et CEMHTI.

Si dans un premier temps, l’utilisation de la méthode LA-ICP-MS a concerné essentiellement les verres et les matériaux lithiques, elle a été utilisée dès le début des années 2000 pour l’analyse des objets en or puis en argent. Les protocoles d’analyses développés permettent de mesurer en routine une cinquantaine éléments dans les verres archéologiques, une trentaine dans les obsidiennes et une vingtaine dans les métaux précieux, or et argent.

Afin de prendre en compte la structure des matériaux étudiés, différents protocoles d’analyse ont été développés. Le premier permet d’obtenir la composition moyenne du volume de matière prélevé, tandis que le second permet de calculer la composition de l’objet au fur et à mesure de la pénétration du laser. Dans le cas des métaux, cette approche permet à la fois d’obtenir la composition de la surface de l’objet, souvent perturbée par des traitements métallurgiques et/ou la corrosion, mais aussi du cœur de celui-ci, zone qui correspond à celle de l’alliage travaillé. Dans le cas des verres, ce protocole permet d’étudier les différentes couches d’objets composites. Son application à l’étude de perles ou de tesselles de mosaïques à feuille d’or ou d’argent montre qu’il est possible de caractériser la composition des différentes couches de verre, ainsi que celle de la feuille de métal utilisée et de ses principales impuretés (platinoïdes).

Les cellules d’ablation commerciales ne permettent pas d’analyser les objets de taille importante (> à 2 cm d’épaisseur et 5 à 15 cm de diamètre). Différentes cellules ont donc été spécialement conçues au Centre Ernest-Babelon de l’IRAMAT pour étudier les objets du patrimoine de grande dimension. Pour ceux qui s’inscrivent dans un volume encore plus important (> 20 cm de diamètre et 12 cm d’épaisseur), les cellules sont conçues directement autour de l’objet à étudier.