Dans le cadre du projet de réacteur nucléaire à neutrons rapides et caloporteur sodium baptisé ASTRID, le CEA cherche à développer des techniques d'analyse innovantes afin de surveiller la pureté chimique du sodium liquide. L'objectif est de détecter des situations incidentelles telles que les ruptures de gaine, les fuites dans le générateur de vapeur ou dans les pompes du circuit primaire, et la corrosion accélérée, qui entraînent la contamination du caloporteur par certains éléments. Les techniques d'analyse élémentaire basées sur l'ablation laser et la spectroscopie d'émission sont particulièrement adaptées à cette problématique, car elles permettent de réaliser des mesures directes et à distance de tout type d'échantillons. Parmi elles, la spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS) et l'ablation laser couplée à la fluorescence induite par laser (LA-LIF) ont été sélectionnées pour cette étude. L'objectif de cette thèse est la détermination de la sensibilité de ces deux techniques pour la détection d'impuretés dans le sodium liquide. Les limites de détection de la LIBS et de la LA-LIF sont calculées pour des analytes modèles à partir du tracé de droites d'étalonnage. Elles sont respectivement de l'ordre de la ppm massique et de l'ordre de la centaine de ppb massiques. Ces résultats sont ensuite extrapolés théoriquement aux autres analytes d'intérêt. Les résultats montrent la faisabilité de la détection et du suivi des concentrations des produits de corrosion des aciers dans le sodium liquide. Cependant, la LIBS est plus robuste et plus simple de mise en oeuvre et serait par conséquent mieux adaptée à une implantation en centrale nucléaire.

Dans l'analyse des émetteurs alpha et beta dans l'eau par scintillation liquide, la problématique de la discrimination des rayonnements se pose afin d'atteindre les limites de détection souhaitées. Dans le cas rare ou les énergies permettent une discrimination, nous avons mis en place un protocole d'analyse simultanée tritium/alpha sur des frottis. A l'aide d'une méthode a trois fenêtres il permet d'atteindre les limites de détection de 0,4 Bq/cm2 en tritium et de 0,04 Bq/cm2 en alpha.De façon générale, aucune distinction entre les spectres n'est possible et un ajustement du fond sous le pic alpha ne permet pas d'atteindre les limites de détection définies par les normes. Cependant le processus physique de scintillation permet une distinction des rayonnements, phénomène utilise par certains appareils, ceux-ci proposent donc le réglage par l'utilisateur d'un paramètre discriminant seuil. Nous avons développé un protocole de réglage permettant de reconstituer les spectres alpha et beta discrimines au mieux, rendant accessible une limite de détection de 0,03 Bq/L en alpha.Nous avons par ailleurs développé une approche innovante utilisant un détecteur en coïncidence dont les photomultiplicateurs sont connectes directement a une carte numérique d'acquisition. Chaque impulsion numérisée est ensuite traitée selon plusieurs critères simultanément, à la place des deux habituels. Aucun ne permet a lui seul d'obtenir une discrimination selon un seuil unique, mais la distribution des évènements dans chaque spectre est différente : un fenêtrage des évènements alpha permet d'atteindre une limite de détection de 0,2 Bq/L, quatre fois moindre que par une discrimination en énergie seule.

Dans l’analyse des émetteurs alpha et beta dans l’eau par scintillation liquide, la problématique de la discrimination des rayonnements se pose afin d’atteindre les limites de détection souhaitées. Dans le cas rare ou les énergies permettent une discrimination, nous avons mis en place un protocole d’analyse simultanée tritium/alpha sur des frottis. A l’aide d’une méthode a trois fenêtres il permet d’atteindre les limites de détection de 0,4 Bq/cm2 en tritium et de 0,04 Bq/cm2 en alpha.De façon générale, aucune distinction entre les spectres n’est possible et un ajustement du fond sous le pic alpha ne permet pas d’atteindre les limites de détection définies par les normes. Cependant le processus physique de scintillation permet une distinction des rayonnements, phénomène utilise par certains appareils, ceux-ci proposent donc le réglage par l’utilisateur d’un paramètre discriminant seuil. Nous avons développé un protocole de réglage permettant de reconstituer les spectres alpha et beta discrimines au mieux, rendant accessible une limite de détection de 0,03 Bq/L en alpha.Nous avons par ailleurs développé une approche innovante utilisant un détecteur en coïncidence dont les photomultiplicateurs sont connectes directement a une carte numérique d’acquisition. Chaque impulsion numérisée est ensuite traitée selon plusieurs critères simultanément, à la place des deux habituels. Aucun ne permet a lui seul d’obtenir une discrimination selon un seuil unique, mais la distribution des évènements dans chaque spectre est différente : un fenêtrage des évènements alpha permet d’atteindre une limite de détection de 0,2 Bq/L, quatre fois moindre que par une discrimination en énergie seule. / Analysis of water for alpha and beta emitters by liquid scintillation suffers from poor discrimination between the emissions and prevents reaching the lowest detection limits. In the rare cases where well separated energies permit discrimination, we can use a three-window protocol for simultaneous analysis of tritium and alphas of swipes that yields detection limits of 0.4 Bq/cm2 for tritium and 0.04 Bq/cm2 for alphas. In the general case, no distinction between the two radiations is possible. An adjustment of the background under the alpha peak does not allow reaching detection limits defined by the norms. However the physical process of scintillation offers users of certain models of apparatus to adjust a discrimination threshold that will separate the emissions. We have developed a protocol that reconstitutes spectra using independent settings that gives a detection limit for alphas of 0.03 Bq/L. We have also developed an innovative approach using a scintillation counter with its photomultipliers plugged directly into a fast analog-to-digital acquisition converter. Then each digitized pulse is simultaneously processed according to several criteria, instead of the usual two. No impulsion can be discriminated on the basis of a single threshold but the distribution of events in each spectrum is different: a window setting on the alphas permits attaining a detection limit of 0.2 Bq/L for alphas, four times lower than with a selection on energy alone.

L’objectif de ce projet doctoral a été de coupler la chromatographie en phase supercritique (SFC) avec un spectromètre de masse haute résolution pour l’analyse de substances naturelles apolaires. La SFC est une technique dite « verte » contrairement à la chromatographie liquide en phase normale (NPLC), très consommatrice de solvants organiques toxiques pour l’environnement, puisque la phase mobile est principalement constituée de CO2. Le CO2 ayant une faible viscosité, cela implique une diffusivité, des débits élevés et des temps d’analyse courts. Notre attention a été focalisée sur des molécules apolaires : les lipides. Le but était de mettre au point des dosages dans des matrices alimentaires et biologiques et de débuter une approche lipidomique d’étude de la maladie de Parkinson. La première partie a été dédiée au développement du système SFC avec une détection UV, prêté par le constructeur Agilent Technologies. La première étude s’est portée sur 6 composés de la famille des vitamines A. Une phase d’optimisation a été réalisée afin d’obtenir une séparation satisfaisante des composés, en testant différents paramètres chromatographiques comme le type de phase stationnaire ou encore la composition de la phase mobile, afin d’obtenir une résolution optimale. Ensuite, des études de linéarité et de répétabilité ont été réalisées et des limites de détection et de quantification ont été déterminées afin d’obtenir une méthode fiable et robuste. Une deuxième partie a concerné la mise en place du couplage entre la SFC et un spectromètre de masse de type quadripôle-temps de vol (Q-TOF), afin d’améliorer la spécificité et la sensibilité des analyses. Différentes sources d’ionisation ont été utilisées : ESI, APCI et APPI. Chacune des sources présente des modes d’ionisation différents, qui permettent de pouvoir balayer une large gamme de polarité des analytes. Nous avons choisi 8 dérivés de la vitamine E, composés apolaires pour lesquels la SFC paraît être la technique d’analyse idéale. La séparation de ces composés a été optimisée de façon à obtenir une bonne résolution chromatographique et un temps d’analyse minimal. L’ionisation des composés est réalisée avec les 3 sources disponibles en faisant varier les paramètres de sources ou encore le solvant « make-up », de façon à obtenir une sensibilité optimale. La source APPI a été finalement choisie après une étude sur les performances de la méthode. Cette source présente une bonne répétabilité, linéarité et des limites de détection de l’ordre de celles retrouvées dans la littérature par HPLC-MS. Nous avons ensuite réalisé la quantification des ces composés dans 2 types de matrices alimentaire et biologique : l’huile de soja et le plasma de rat. Une troisième partie a été débutée sur le profilage de lipides à polarités variées par SFC-MS. Cette technique se révèle idéale de par la faible polarité de ces composés et leur absence d’absorbance dans le domaine UV. En effet, l’intégrité des lipides peut être altérée suite aux dommages causés par les radicaux libres, qui sont potentiellement impliqués dans de nombreuses maladies neurodégénératives. Il parait primordial de développer des outils analytiques présentant une haute sensibilité et résolution et la possibilité d’accéder aux informations structurales. La source d’ionisation ESI nous a permis de détecter 12 lipides sur les 20 sous-classes analysées en mode positif et 8 lipides en mode négatif. Une application a été réalisée sur un échantillon de plasma humain. Il serait intéressant à l’avenir d’effectuer cette étude en utilisant la source APPI, source propice à l’analyse structurale de lipides et présentant une bonne sensibilité et répétabilité. Ce couplage SFC-MS, présentant une bonne sensibilité et répétabilité, sera par la suite étendu à l’analyse de lipides dans diverses matrices biologiques et pourra à l’avenir être appliqué à l’étude de nouveaux biomarqueurs et au screening rapide d’un grand nombre d’échantillons / The aim of this PhD project was to couple supercritical fluid chromatography (SFC) with a high resolution mass spectrometer for apolar natural compounds analysis. Because mobile phase is principally constituted of CO2, SFC is called “green technic” contrary to normal phase liquid chromatography (NPLC), which uses lot of organic solvents toxic for environment. The CO2 presents a low viscosity, in this way high diffusivity and flow rate, and lower analysis times are obtained. Our work was focused on apolar molecules: the lipids. The aim was to quantify molecules in alimentary and biological matrices and to a lipidomic approach to study Parkinson disease. The first part was to develop the system SFC with a UV detection on a system on loan by Agilent Technologies. This first study was carried out on 6 vitamin A compounds. An optimization of chromatographic parameters has been realized in order to obtain a good separation of the compounds. Then, linearity, repeatability, detection and quantification limits have been determined in order to have a reliable and robust method. A second part concerned the coupling of SFC and a quadrupole time-of-flight mass spectrometer (Q-TOF), in order to improve specificity and sensitivity of analysis. Different ionization sources have been tested: ESI, APCI and APPI. Each ion source presents different ionization mode, which permits to analyze a wide range of polarities of compounds. We have chosen 8 vitamin E derivatives, which are apolar compounds for which SFC seems to be well suited. Separation compounds have been optimized in order to have a good chromatographic resolution and a short analysis time. This compounds ionization is realized with the 3 sources, varying ionization parameters and make-up solvent, to have an optimal sensitivity. The APPI source has been chosen after a performance evaluation method. This source presents a good repeatability, linearity and detection limit in the same order of magnitude than those found in the literature by HPLC-MS. Then we have quantified these compounds in alimentary and biological matrices: a soya oil and plasma rat. A third study has been started on lipid profiling with various polarities by SFC-MS. This technic is well suited because of the low polarity of this molecules and their lack of absorbance in the UV range. The integrity of lipids can be altered with damages caused by free radicals, and are potentially involved in neurodegenerative diseases. It is essential to develop analytical systems with a high sensitivity and resolution and the possibility to access to structural information. The ESI source permits to detect 12 lipids on the 20 sub-classes analyzed in positive ion mode and 8 lipids in negative mode. An application has been realized on human plasma. In the future, it will be interesting to analyze these lipids with the APPI source, which is good choice for structural analysis of lipids, with good sensitivity and repeatability. Studies with this SFC-MS system, presenting good sensitivity and repeatability, will be extended to lipid analysis in biological matrices and could be applied to new biomarkers study and for fast screening of a large number of samples