FR2883977A1 - LASER MACHINE FOR DIRECT ANALYSIS - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une machine laser d'analyse directe pour la microanalyse élémentaire d'échantillons comprenant une enceinte d'ablation (1), un moyen d'ablation laser (9), un moyen de focalisation (8), un ensemble d'analyse (12) et un moyen de transfert de gaz (17).Selon l'invention, elle comprend un moyen de déplacement du faisceau laser (18) disposé entre le moyen d'ablation laser (9) et le porte échantillon (5) apte à renvoyer le faisceau laser (10) du moyen d'ablation laser (9) sur au moins une zone d'ablation (11) et permettant le déplacement du faisceau laser (10) sur la surface (7) d'au moins un échantillon (6) à analyser dans deux directions parallèles à ladite surface (7) de façon à réaliser un décapage rapide d'au moins une zone d'ablation (11).The invention relates to a direct analysis laser machine for the elemental microanalysis of samples comprising an ablation chamber (1), laser ablation means (9), a focusing means (8), a set of analysis (12) and gas transfer means (17). According to the invention, it comprises means for moving the laser beam (18) disposed between the laser ablation means (9) and the sample holder (5) adapted to return the laser beam (10) of the laser ablation means (9) to at least one ablation zone (11) and allowing the laser beam (10) to move on the surface (7) of at least one sample (6) to be analyzed in two directions parallel to said surface (7) so as to carry out a rapid etching of at least one ablation zone (11).
Description
La présente invention concerne une machine laser d'analyse directe pour laThe present invention relates to a direct analysis laser machine for the
microanalyse élémentaire d'échantillons. elemental microanalysis of samples.
Les techniques d'analyses et de microanalyses de métaux traces dans des échantillons solides consistent pour la plupart en une mise en solution des solides (attaques chimiques), suivi d'une détection par spectrométrie (AAS, ICPAES, ICPMS). Ces techniques sont utilisées pour l'analyse des différentes couches d'oxydes métalliques de wafers dans l'industrie microélectronique, analyse de poisons de catalyseurs, analyse de polymères, analyses d'alliages métalliques, analyse de produits pétroliers (fraction lourdes), analyse d'échantillons environnementaux, etc... The techniques of analysis and microanalysis of trace metals in solid samples consist for the most part of solids dissolution (chemical attacks), followed by detection by spectrometry (AAS, ICPAES, ICPMS). These techniques are used for the analysis of various metal oxide layers of wafers in the microelectronics industry, catalyst poison analysis, polymer analysis, metal alloy analysis, analysis of petroleum products (heavy fraction), analysis of environmental samples, etc.
Un autre secteur analytique particulièrement sensible a trait à l'analyse de spéciation de protéines préalablement séparée sur gel 1 D ou 2D. Another particularly sensitive analytical area relates to protein speciation analysis previously separated on 1D or 2D gel.
L'étape de mise en solution est d'une part très contraignante, longue, et parfois non quantitative (perte de certains éléments lors de la minéralisation) et d'autre part peut conduire à une contamination de l'échantillon. The dissolution stage is on the one hand very restrictive, long, and sometimes non-quantitative (loss of certain elements during the mineralization) and on the other hand can lead to contamination of the sample.
Pour ces raisons, des techniques d'analyses directes, telle que celle du brevet WO 02068952, ont été développées dans le passé (ablation laser, décharge luminescente, etc..., couplées à une spectrométrie ICPAES ou ICPMS). For these reasons, direct analysis techniques, such as that of patent WO 02068952, have been developed in the past (laser ablation, glow discharge, etc., coupled to ICPAES or ICPMS spectrometry).
Ces techniques permettent d'avoir une très haute résolution spatiale (5 200 pm) et semblent bien adaptées à la microanalyse. Cependant, celles-ci sont relativement peu utilisées en comparaison des techniques de digestion par voie humide en raison des problèmes inhérents à ces techniques, notamment liés à l'étalonnage et à l'échantillonnage. Les dispositifs lasers actuels ne permettent en effet pas toujours d'avoir un échantillonnage parfaitement représentatif de l'échantillon, ce qui est défavorable pour l'analyse ICPMS par ce qui est appelé un "fractionnement élémentaire". Le fractionnement élémentaire est lié aux processus d'ablation qui se traduisent par des enrichissements de phase ou par la production de particules trop grosses qui induisent une analyse élémentaire biaisée en fonction des éléments et des matériaux analysés. These techniques make it possible to have a very high spatial resolution (5200 μm) and seem well suited to microanalysis. However, these are relatively little used in comparison with wet digestion techniques because of the inherent problems of these techniques, particularly related to calibration and sampling. Current laser devices do not always make it possible to have a sampling perfectly representative of the sample, which is unfavorable for ICPMS analysis by what is called an "elementary fractionation". Elementary fractionation is related to ablation processes that result in phase enrichments or the production of too large particles that induce a biased elemental analysis depending on the elements and materials analyzed.
Ces dernières années, la tendance a été au développement de lasers opérant à des longueurs d'onde dans l'UV (266, 213, 193 voire très récemment 157 nm) permettant un couplage rayonnement matière beaucoup plus efficace, favorisant les phénomènes explosifs au détriment des phénomènes thermiques. La qualité de l'ablation s'est ainsi nettement améliorée. Cependant, les effets thermiques subsistent encore, conduisant toujours à des problèmes de fractionnement élémentaire. In recent years, the trend has been towards the development of lasers operating at wavelengths in the UV (266, 213, 193 or even very recently 157 nm) allowing a much more efficient radiation material coupling, favoring explosive phenomena to the detriment thermal phenomena. The quality of the ablation has thus significantly improved. However, the thermal effects still remain, always leading to problems of elementary fractionation.
Par ailleurs, les dispositifs lasers actuels sont limités à une résolution en profondeur de l'ordre du micron/pulse, ce qui ne permet pas d'envisager des analyses de couches telles qu'elles sont requises. Moreover, current laser devices are limited to a depth resolution of the order of one micron / pulse, which does not allow to consider layer analyzes as required.
Dans le domaine de l'analyse, les lasers les plus performants à l'heure actuelle sont des lasers excimères de type ArF opérant à 193 nm ou de type F2 opérant à 157 nm. Ils ont cependant de certaines limitations en plus de celles citées plus haut: encombrement, appareillage pouvant difficilement être déplacé, nécessité de remplir la cavité laser avec du fluor gazeux (composé très toxique), mise en oeuvre complexe, logiciel de pilotage/interface utilisateur relativement peu élaborés. In the field of analysis, the most efficient lasers at the present time are excimer lasers of ArF type operating at 193 nm or F2 type operating at 157 nm. However, they have certain limitations in addition to those mentioned above: size, equipment can hardly be moved, need to fill the laser cavity with gaseous fluorine (very toxic compound), complex implementation, control software / user interface relatively little elaborate.
Un couplage laser femtoseconde/ICPMS a été développé. A femtosecond laser coupling / ICPMS has been developed.
Les résultats montrent les bénéfices de l'ablation en régime femtoseconde par rapport au laser UV fonctionnant en régime impulsionnel nanoseconde. Ceci réside dans le régime d'ablation. On a alors une ablation dite froide dans la mesure où la température du plasma formé à la surface de l'échantillon est plus faible que celle mesurée avec un laser nanoseconde. Par ailleurs la durée d'interaction entre le plasma et le matériau est très faible Les phénomènes thermiques sont donc fortement atténués et les particules produites extrêmement fines. Le fractionnement élémentaire est donc quasiment éliminé. De plus, la résolution spatiale en profondeur avec ce type de laser est de l'ordre de 10 nm/pulse, ce qui rend possible l'analyse de couches extrêmement fines. The results show the benefits of femtosecond ablation compared to the UV laser operating in nanosecond pulse regime. This lies in the ablation regime. We then have a so-called cold ablation insofar as the temperature of the plasma formed on the surface of the sample is lower than that measured with a nanosecond laser. Moreover, the interaction time between the plasma and the material is very low. The thermal phenomena are therefore strongly attenuated and the particles produced extremely thin. The elemental fractionation is almost eliminated. In addition, the spatial resolution in depth with this type of laser is of the order of 10 nm / pulse, which makes possible the analysis of extremely thin layers.
Cependant, ce couplage a été développé à partir d'un laser femtoseconde haute énergie (de l'ordre de quelque mJ/pulse, basse cadence de tir (environ 10Hz), très encombrant d'où une difficulté de mise en oeuvre et de prix car les lasers femtosecondes sont très chers. However, this coupling was developed from a high energy femtosecond laser (of the order of some mJ / pulse, low firing rate (about 10 Hz), very cumbersome hence a difficulty of implementation and price because femtosecond lasers are very expensive.
Certaines sources laser peuvent fonctionner à très haute cadence de tir et faible énergie par pulse, en régime femtoseconde ou nanoseconde. Cependant, dans ces conditions, les cratères s'étalent sur une plage de 5 à 30 pm. La sensibilité du couplage laser/ICPMS qui est directement liée à la surface décapée, reste médiocre et l'échantillonnage n'est pas encore assez représentatif. Some laser sources can operate at a very high rate of fire and low energy per pulse, femtosecond or nanosecond. However, under these conditions, the craters spread over a range of 5 to 30 μm. The sensitivity of the laser / ICPMS coupling that is directly related to the etched surface remains poor and the sampling is not yet sufficiently representative.
Pour ces raisons, tout en restant dans le domaine de la microanalyse, il serait souhaitable, pour certaines applications, d'augmenter la taille des cratères formés jusqu'à 100 à 200 pm de diamètre, voire plus, tout en gardant la possibilité de travailler avec des cratères de faible diamètre. For these reasons, while remaining in the field of microanalysis, it would be desirable, for certain applications, to increase the size of formed craters up to 100 to 200 pm in diameter or more, while keeping the possibility of working with craters of small diameter.
Un gain en signal sur bruit de l'ordre d'un facteur 40 serait possible en passant d'un diamètre de cratère de 15 à 100 pm. A signal-to-noise gain of the order of a factor of 40 would be possible by moving from a crater diameter of 15 to 100 μm.
Et une plus grande taille apparente de faisceau permet de moyenner plus facilement les résultats des analyses par unité de surface. And a larger apparent beam size makes it easier to average the results of analyzes per unit area.
Un autre problème se pose dans l'analyse par dilution isotopique qui est une technique analytique d'étalonnage exploitée dans l'analyse des liquides consistant à utiliser comme étalon interne un isotope de l'élément à analyser en spectrométrie de masse. II s'agit de mélanger à un échantillon à analyser, de composition isotopique connue, une quantité infime et parfaitement caractérisée d'une solution enrichie en un isotope de l'élément à analyser. Au cours de la préparation de l'échantillon et de l'analyse, l'isotope ajouté se comporte strictement de la même manière que les isotopes de l'élément à analyser dans l'échantillon, ce qui permet de corriger très efficacement tous les biais analytiques liés à la préparation de l'échantillon et à la détection. La dilution isotopique permet donc de réaliser des analyses extrêmement justes et précises. Another problem arises in the isotopic dilution analysis which is a calibration analytical technique used in liquid analysis consisting in using as an internal standard an isotope of the analyte element in mass spectrometry. It is a question of mixing with a sample to be analyzed, of known isotopic composition, a minute and perfectly characterized quantity of a solution enriched in an isotope of the element to be analyzed. During sample preparation and analysis, the added isotope behaves in exactly the same way as the isotopes of the element to be analyzed in the sample, making it possible to correct all the biases very effectively. analytical work related to sample preparation and detection. Isotopic dilution therefore allows for extremely accurate and precise analyzes.
Cette technique est réputée en spectrométrie de masse pour être la plus performante, mais est elle relativement fastidieuse à mettre en oeuvre, car des pesées excessivement fines et des manipulations délicates doivent être mises en oeuvre. En ce qui concerne la dilution isotopique dans les solides, seules des études consistant à réduire l'échantillon en poudre et à le doper avec un isotope enrichi ont été réalisées car il est extrêmement difficile de doper de manière homogène un échantillon donné avec des isotopes enrichis. Cette procédure est longue et fastidieuse. This technique is known in mass spectrometry to be the most efficient, but is relatively tedious to implement, because excessively fine weighings and delicate manipulations must be implemented. With regard to isotopic dilution in solids, only studies consisting of reducing the powder sample and dotting it with an enriched isotope were performed because it is extremely difficult to homogeneously dope a given sample with enriched isotopes. . This procedure is long and tedious.
Pour résoudre ce problème, selon l'invention on cherche à réaliser une dilution isotopique par ablation laser directement dans l'enceinte d'ablation, c'est-à-dire dans l'enceinte recevant les échantillons. Il s'agit ainsi d'ablater alternativement et très rapidement l'échantillon à analyser et un échantillon de référence isotopiquement enrichi. Les aérosols provenant des deux échantillons se mélangent directement et quasi simultanément dans le volume de la chambre, balayée par un gaz vecteur. To solve this problem, according to the invention, it is sought to carry out an isotopic dilution by laser ablation directly in the ablation chamber, that is to say in the chamber receiving the samples. It is thus ablater alternately and very quickly the sample to be analyzed and an isotopically enriched reference sample. The aerosols from the two samples mix directly and almost simultaneously in the volume of the chamber, swept by a carrier gas.
Par conséquent, l'objectif de la présente invention est donc de proposer une machine laser d'analyse directe pour la microanalyse élémentaire d'échantillons visant à fortement diminuer le fractionnement élémentaire, obtenir une meilleure sensibilité de détection avec un équipement compact et offrir la possibilité d'une quantification par dilution isotopique directement dans la cellule d'ablation limitant ainsi les étapes de préparation de l'échantillon. Therefore, the objective of the present invention is therefore to provide a direct analysis laser machine for the elemental microanalysis of samples aimed at greatly reducing the elementary fractionation, to obtain a better detection sensitivity with a compact equipment and to offer the possibility of quantification by isotopic dilution directly in the ablation cell thus limiting the steps of preparation of the sample.
A cet effet, l'invention concerne une machine laser 30 d'analyse directe pour la microanalyse élémentaire d'échantillons comprenant: - une enceinte d'ablation comportant: - une fenêtre optique, - un orifice d'entrée et un orifice de sortie d'un gaz 35 vecteur, - un porte échantillon pouvant contenir au moins un échantillon, ledit échantillon présentant une surface à analyser, - un moyen d'ablation laser de l'échantillon apte à renvoyer un faisceau laser à travers la fenêtre optique de l'enceinte d'ablation sur la surface de l'échantillon de façon à décaper une zone d'ablation pour produire des éléments ablatés à analyser, - un moyen de focalisation disposé entre le porte échantillon et le moyen d'ablation laser apte à focaliser avec précision le faisceau laser sur la zone d'ablation de l'échantillon, ledit moyen de focalisation comprenant au moins une lentille, - un ensemble d'analyse comportant: - une entrée d'éléments ablatés, - une source d'atomisation et d'ionisation apte à transformer les éléments ablatés à analyser en atomes et ions à analyser, - une interface de collimation des atomes et ions à analyser, - un moyen d'analyse analysant lesdits atomes et ions, - un moyen de transfert de gaz reliant l'orifice de sortie de l'enceinte d'ablation à l'entrée d'éléments ablatés permettant le transfert des éléments ablatés de l'enceinte d'ablation jusqu'à l'ensemble d'analyse par le flux de gaz vecteur. To this end, the invention relates to a direct analysis laser machine 30 for the elemental microanalysis of samples comprising: an ablation chamber comprising: an optical window; an inlet orifice and an exit orifice; a carrier gas, - a sample holder which can contain at least one sample, said sample having a surface to be analyzed, - a laser ablation means of the sample adapted to send a laser beam through the optical window of the ablation chamber on the surface of the sample so as to etch an ablation zone to produce ablated elements to be analyzed, - a focusing means arranged between the sample holder and the laser ablation means capable of focusing accurately the laser beam on the ablation zone of the sample, said focusing means comprising at least one lens, - an analysis assembly comprising: - ablated element input, - an atomization source and ionization capable of transforming the ablated elements to be analyzed into atoms and ions to be analyzed, - a collimation interface of the atoms and ions to be analyzed, - an analysis means analyzing said atoms and ions, - a gas transfer means connecting the outlet of the ablation chamber to the input of ablated elements for transferring the ablated elements of the ablation chamber to the analysis assembly by the carrier gas flow.
Selon l'invention, la machine laser d'analyse directe comprend un moyen de déplacement du faisceau laser disposé entre le moyen d'ablation laser et le porte échantillon apte à renvoyer le faisceau laser du moyen d'ablation laser sur au moins une zone d'ablation et permettant le déplacement du faisceau laser sur la surface d'au moins un échantillon à analyser dans deux directions parallèles à ladite surface de façon à réaliser un décapage rapide d'au moins une zone d'ablation. According to the invention, the direct analysis laser machine comprises a means for moving the laser beam disposed between the laser ablation means and the sample holder capable of returning the laser beam of the laser ablation means to at least one zone of the laser beam. ablation and allowing the displacement of the laser beam on the surface of at least one sample to be analyzed in two directions parallel to said surface so as to carry out a rapid etching of at least one ablation zone.
Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: -le moyen de déplacement du faisceau laser comprend au moins un miroir galvanométrique, - le moyen de déplacement du faisceau laser comprend un module acousto optique, - le moyen de déplacement du faisceau laser comprend au moins un prisme en rotation, - le faisceau laser décape alternativement au moins deux zones d'ablation sur la surface d'au moins un échantillon, - le faisceau laser décape au moins une zone d'ablation à la surface d'au moins un échantillon en décrivant des cercles, - le faisceau laser décape au moins une zone d'ablation à la surface d'au moins un échantillon en décrivant des cercles concentriques, - le moyen d'ablation laser comprend un laser 15 femtoseconde, - le moyen d'ablation laser comprend un laser picoseconde, - le moyen d'ablation laser comprend un laser nanoseconde, le moyen d'ablation laser comprend un laser infrarouge, - le moyen d'ablation laser comprend un laser visible, - le moyen d'ablation laser comprend un laser ultraviolet, - la machine laser d'analyse directe comprend une interface de contrôle de l'interaction du faisceau laser avec au moins une zone d'ablation comprenant: - un dispositif de visualisation de la zone d'ablation en 25 interaction avec le faisceau laser, - un moyen de déplacement motorisé du porte échantillon dans les trois directions apte à contrôler la position de la zone d'ablation par rapport au faisceau laser, - le dispositif de visualisation comprend une caméra CCD reliée à une carte d'acquisition vidéo intégrée dans une unité centrale, ladite unité centrale comprenant un logiciel de représentation à trois dimensions pour visualiser au moins une zone d'ablation, - l'unité centrale comprend un logiciel de commande du faisceau laser, - le moyen d'analyse est un spectromètre de masse, -le moyen d'analyse est un analyseur optique. In various possible embodiments, the present invention also relates to the features which will emerge during the following description, which should be considered in isolation or in all their technically possible combinations: the means for moving the laser beam comprises at least one galvanometric mirror, the means for moving the laser beam comprises an acousto-optic module, the means for moving the laser beam comprises at least one rotating prism, the laser beam alternately etches at least two ablation zones on the surface of the laser beam. at least one sample, the laser beam etches at least one ablation zone at the surface of at least one sample by circling, the laser beam etches at least one ablation zone at the surface of least one sample by describing concentric circles, the laser ablation means comprises a femtosecond laser, the ablative means a laser comprises a picosecond laser, - the laser ablation means comprises a nanosecond laser, the laser ablation means comprises an infrared laser, - the laser ablation means comprises a visible laser, - the laser ablation means comprises an ultraviolet laser, the direct analysis laser machine comprises an interface for controlling the interaction of the laser beam with at least one ablation zone comprising: a device for visualizing the ablation zone in interaction with the laser beam; means for motorized movement of the sample holder in the three directions able to control the position of the ablation zone with respect to the laser beam; the display device comprises a CCD camera connected to a video acquisition card; integrated in a central unit, said central unit comprising a three-dimensional representation software for displaying at least one ablation zone; the central unit comprises a software for control of the laser beam, - the analysis means is a mass spectrometer, - the analysis means is an optical analyzer.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un laser couplé avec un ensemble d'analyse selon l'art antérieur; - la figure 2 représente le décapage d'un point sur la surface d'un échantillon par le laser selon l'art antérieur; - la figure 3 est une représentation schématique d'une machine laser d'analyse directe selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 est une représentation des différentes possibilités de décapage par ablation laser sur la surface d'au moins un échantillon; - la figure 5 représente le décapage de deux zones d'ablation à la surface d'un échantillon selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 6 représente le décapage d'une zone d'ablation à la surface de deux échantillons selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 7 est une représentation schématique plus complète d'une machine laser d'analyse directe selon un mode de réalisation de l'invention; La figure 1 représente un système de couplage laser/analyseur selon l'art antérieur comprenant une enceinte d'ablation 1 qui comporte une fenêtre optique 2, un orifice d'entrée 3 et un orifice de sortie 4 d'un gaz vecteur. Le volume de l'enceinte d'ablation 1 est de l'ordre de 50 ml et le débit de gaz vecteur est compris entre 0,1 I/min et 2 I/min, avantageusement de l'ordre de 1 I/min. Ce gaz est un gaz inerte du type Argon et Hélium. The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a schematic representation of a laser coupled with an analysis assembly according to the prior art; - Figure 2 shows the etching of a point on the surface of a sample by the laser according to the prior art; FIG. 3 is a schematic representation of a direct analysis laser machine according to one embodiment of the invention; FIG. 4 is a representation of the different possibilities of laser ablation pickling on the surface of at least one sample; - Figure 5 shows the etching of two ablation zones on the surface of a sample according to one embodiment of the invention; FIG. 6 represents the etching of an ablation zone on the surface of two samples according to one embodiment of the invention; FIG. 7 is a more complete schematic representation of a direct analysis laser machine according to one embodiment of the invention; FIG. 1 represents a laser coupling system / analyzer according to the prior art comprising an ablation chamber 1 which comprises an optical window 2, an inlet orifice 3 and an outlet orifice 4 of a carrier gas. The volume of the ablation chamber 1 is of the order of 50 ml and the flow of carrier gas is between 0.1 I / min and 2 I / min, preferably of the order of 1 I / min. This gas is an inert gas of the Argon and Helium type.
L'enceinte d'ablation 1 comporte également un porte échantillon 5 pouvant contenir au moins un échantillon 6. C'est la surface 7 de l'échantillon 6 qui est analysée. The ablation chamber 1 also comprises a sample holder 5 which can contain at least one sample 6. It is the surface 7 of the sample 6 which is analyzed.
Le système de couplage laser/analyseur comprend un moyen d'ablation laser 9 de l'échantillon 6 apte à renvoyer un faisceau laser 10 à travers la fenêtre optique 2 de l'enceinte d'ablation 1 sur la surface de l'échantillon 7 de façon à décaper une zone d'ablation 11. Ce décapage entraîne l'éjection d'éléments ablatés qui sont mélangés au gaz vecteur. On entend par éléments ablatés un ensemble de particules et de vapeurs. Cet ensemble est destiné à être analysé. The laser coupling system / analyzer comprises a laser ablation means 9 of the sample 6 adapted to send a laser beam 10 through the optical window 2 of the ablation chamber 1 on the surface of the sample 7 of This stripping causes the ejection of ablated elements which are mixed with the carrier gas. Ablated elements are understood to mean a set of particles and vapors. This set is intended to be analyzed.
Le système de couplage laser/analyseur comprend un moyen de focalisation 8 disposé entre le porte échantillon 5 et le moyen d'ablation laser 9 apte à focaliser avec précision le faisceau laser 10 sur la zone d'ablation de l'échantillon 11. Le moyen de focalisation 8 comprenant au moins une lentille. The laser coupling system / analyzer comprises a focusing means 8 arranged between the sample holder 5 and the laser ablation means 9 able to accurately focus the laser beam 10 on the ablation zone of the sample 11. The means focusing device 8 comprising at least one lens.
Sur la figure 2 représentant un dispositif d'ablation selon l'art antérieur, une seule zone d'ablation 11 est décapée, formant un cratère s'étalant sur une surface d'environ 5 à 30 pm avec une source laser basse énergie et 5 à 200 pm généralement avec une source laser de plus grande énergie. In Fig. 2 showing an ablation device according to the prior art, a single ablation zone 11 is etched, forming a crater spreading over an area of about 5 to 30 μm with a low energy laser source and at 200 pm usually with a higher energy laser source.
Le système de couplage laser/analyseur comprend un 20 ensemble d'analyse 12 comportant une entrée d'éléments ablatés 13 reliée à l'orifice de sortie 4 de l'enceinte d'ablation 1 par un moyen de transfert de gaz 17. The laser coupling / analyzer system comprises an analysis assembly 12 having an ablated element inlet 13 connected to the outlet port 4 of the ablation chamber 1 by a gas transfer means 17.
Le moyen de transfert de gaz 17 permet le transfert d'éléments ablatés de l'enceinte d'ablation 1 jusqu'à l'ensemble 25 d'analyse 12 par le flux de gaz vecteur. The gas transfer means 17 allows the transfer of ablated elements from the ablation chamber 1 to the analysis unit 12 by the carrier gas flow.
Une source d'atomisation et d'ionisation 14 transforme les éléments ablatés à analyser en atomes et ions à analyser. La source utilisée est généralement une torche à plasma qui génère un plasma à haute température (4000-10000 K). L'entrée d'éléments ablatés 13 peut être l'injecteur de la torche à plasma. An atomization and ionization source 14 transforms the ablated elements to be analyzed into atoms and ions to be analyzed. The source used is usually a plasma torch that generates a high temperature plasma (4000-10000 K). The input of ablated elements 13 may be the injector of the plasma torch.
Une interface de collimation 15 permet d'obtenir un faisceau parallèle d'atomes et d'ions à analyser et de le diriger vers un moyen d'analyse 16. A collimation interface 15 makes it possible to obtain a parallel beam of atoms and ions to be analyzed and to direct it towards an analysis means 16.
Selon l'invention telle que représentée sur la figure 3, la 35 machine laser d'analyse directe comprend un moyen de déplacement du faisceau laser 18 disposé entre le moyen d'ablation laser 9 et le porte échantillon 5. Ce moyen de déplacement 18 permet de renvoyer le faisceau laser 10 du moyen d'ablation laser 9 sur au moins une zone d'ablation 11. Il permet le déplacement du faisceau laser 10 sur la surface 7 d'au moins un échantillon 6 dans deux directions parallèles à cette surface 7 de façon à réaliser un décapage rapide d'au moins une zone d'ablation 11. According to the invention as shown in FIG. 3, the direct analysis laser machine comprises a means for moving the laser beam 18 disposed between the laser ablation means 9 and the sample holder 5. This moving means 18 enables to return the laser beam 10 of the laser ablation means 9 to at least one ablation zone 11. It allows the displacement of the laser beam 10 on the surface 7 of at least one sample 6 in two directions parallel to this surface 7 so as to perform rapid etching of at least one ablation zone 11.
Le faisceau laser 9 peut décaper la surface 7 d'au moins un 10 échantillon 6 à une vitesse allant de quelques millimètres par seconde à plus de 449 mm/s. The laser beam 9 can strip the surface 7 of at least one sample 6 at a speed ranging from a few millimeters per second to more than 449 mm / s.
L'utilisation d'un moyen de déplacement du faisceau laser 18 permet de maîtriser au mieux la géométrie des cratères et leur disposition sur l'échantillon 6. The use of a means for moving the laser beam 18 makes it possible to better control the geometry of the craters and their arrangement on the sample 6.
Le moyen de déplacement du faisceau laser 18 a pour fonction de modifier la direction du faisceau 10 émergent à partir d'une consigne externe, analogique ou numérique. Le résultat est un déplacement du spot focalisé dans le plan de l'objectif de focalisation. The means for moving the laser beam 18 has the function of modifying the direction of the emerging beam 10 from an external setpoint, analog or digital. The result is a displacement of the focused spot in the plane of the focusing lens.
Le moyen de déplacement du faisceau laser 18 peut être réalisé de différentes façons avec au moins un miroir galvanométrique ou un module acousto optique ou une rotation de prismes, etc... L'invention peut être mise en oeuvre avec des moyens de déplacement du faisceau laser 18 très variés. The means for moving the laser beam 18 can be produced in different ways with at least one galvanometric mirror or an acousto-optic module or a rotation of prisms, etc. The invention can be implemented with means for moving the beam 18 laser very varied.
Les avantages de la méthode sont d'autant plus importants que la vitesse de balayage est grande. Le moyen d'ablation laser 9 peut comprendre un laser pulsé de fréquence élevée. L'association du mouvement du moyen de déplacement du faisceau laser 18 avec le laser 9 est réglée pour produire des spots jointifs qui réalisent des cratères de forme voulue sur l'échantillon. Ce système permet de délimiter précisément des zones analysées sur l'échantillon 6 et de produire des zones ablatées 11 en forme de cratères parfaitement définis, exempts de bords issus de la recondensation de matière ayant fusionnée. Il est aussi possible de former des zones d'ablation 11 en forme de puit à fond plat. The advantages of the method are all the more important as the scanning speed is high. The laser ablation means 9 may comprise a pulsed laser of high frequency. The combination of the movement of the means for moving the laser beam 18 with the laser 9 is adjusted to produce contiguous spots which create craters of a desired shape on the sample. This system makes it possible to precisely delimit zones analyzed on the sample 6 and to produce ablated zones 11 in the form of perfectly defined craters, free of edges resulting from the recondensation of fused material. It is also possible to form ablation zones 11 in the form of a well with a flat bottom.
Le moyen d'ablation laser 9 peut comprendre une source laser de type NdYAG femtoseconde générant des impulsions de courte durée (< 400 fs) à une longueur d'onde de 1030 nm et présentant une fréquence d'impulsion comprise entre 1 Hz et 10 kHz, voire plus. The laser ablation means 9 may comprise a femtosecond NdYAG type laser source generating pulses of short duration (<400 fs) at a wavelength of 1030 nm and having a pulse frequency of between 1 Hz and 10 kHz , see more.
Le diamètre du faisceau laser 10 sur la surface 7 de l'échantillon 6 est avantageusement de 15 à 40 pm. Au-delà, et avec une source laser de 100 pJ/pulse, la densité d'énergie est trop faible. The diameter of the laser beam 10 on the surface 7 of the sample 6 is advantageously from 15 to 40 μm. Beyond, and with a laser source of 100 pJ / pulse, the energy density is too low.
L'énergie des pulses du moyen d'ablation laser 9 sont de faible énergie, avantageusement de l'ordre de 100 pJ par pulse avec peu de variation (< 2.5% sur 24h). Cette énergie peut être inférieure à 100 pJ par pulse, voire supérieure. Les sources lasers de faible énergie sont de dimensions plus petites et moins chères que les sources usuellement utilisées à haute énergie. Le moyen d'ablation laser 9 consiste donc en un appareil extrêmement compact (1,4 m de long) par rapport aux lasers femtosecondes "classiques" utilisés en chimie fondamentale ou en micro usinage (environ 5-6 m). Il est monté sur roulette ce qui permet une mobilité d'un poste à l'autre. The pulses energy of the laser ablation means 9 are of low energy, advantageously of the order of 100 pJ per pulse with little variation (<2.5% over 24 hours). This energy can be less than 100 pJ per pulse, or even higher. Low energy laser sources are smaller in size and less expensive than sources usually used at high energy. The laser ablation means 9 therefore consists of an extremely compact apparatus (1.4 m long) compared to "conventional" femtosecond lasers used in fundamental chemistry or micro-machining (approximately 5-6 m). It is mounted on wheels which allows a mobility from one position to another.
Avec l'utilisation d'une source laser femtoseconde, la qualité de l'ablation est nettement améliorée en évitant les phénomènes de fractionnement élémentaire liés aux effets thermiques. With the use of a femtosecond laser source, the quality of ablation is significantly improved by avoiding elementary fractionation phenomena related to thermal effects.
En effet, avec des pulses de courtes durées, la matière s'échauffe beaucoup moins. Indeed, with pulses of short durations, the material heats up much less.
Le moyen d'ablation laser 9 peut aussi comprendre une source laser nanoseconde ou picoseconde. The laser ablation means 9 may also comprise a nanosecond or picosecond laser source.
Le moyen d'ablation laser 9 peut aussi comprendre une source laser ultraviolet, visible et infrarouge. The laser ablation means 9 may also comprise an ultraviolet, visible and infrared laser source.
II est possible de décaper une surface 7 plus grande qu'un simple cratère de 5 à 30 pm de diamètre, en déplaçant très rapidement l'échantillon 6 et en travaillant à une cadence de tirs élevée. On tend ainsi vers l'ablation quasi simultanée d'une surface 7 donnée, plus importante que la taille du faisceau 10 focalisé sur l'échantillon 6. Comme la source laser 9 permet de travailler à des cadences de tirs très importantes (par exemple 10 kHz), la vitesse de déplacement du porte échantillon 5 est trop lente pour satisfaire des conditions de quasi simultanéité d'ablation de la surface 7 considérée. L'intégration d'un moyen de déplacement du faisceau laser 18 de type scanner galvanométrique dans le trajet optique du faisceau laser 10 permet de déplacer très rapidement le faisceau 10 (à l'échelle microscopique de l'analyse). Les particularités de ce type de moyen de déplacement du faisceau laser 18 résident effectivement dans sa rapidité de déplacement (par exemple 449 mm/s avec un objectif de 80 mm), sa précision de positionnement (22 prad), son champ (14 mm) et sa résolution (1 pm) pour un objectif de 80 mm de focale. It is possible to strip a surface 7 greater than a simple crater 5 to 30 pm in diameter, by moving the sample 6 very quickly and working at a high rate of fire. This leads to the almost simultaneous ablation of a given surface 7, which is larger than the size of the beam 10 focused on the sample 6. Since the laser source 9 makes it possible to work at very high firing rates (for example 10 kHz), the speed of movement of the sample holder 5 is too slow to satisfy conditions of almost simultaneous ablation of the surface 7 considered. The integration of a means for moving the laser beam 18 of the galvanometric scanner type in the optical path of the laser beam 10 makes it possible to move the beam 10 (at the microscopic scale of the analysis) very rapidly. The particularities of this type of moving means of the laser beam 18 actually reside in its speed of movement (for example 449 mm / s with an objective of 80 mm), its positioning accuracy (22 prad), its field (14 mm) and its resolution (1 pm) for a focal length of 80 mm.
Pour obtenir un meilleur résultat, la fréquence du moyen de déplacement du faisceau laser 18 et la fréquence du moyen d'ablation laser 9 doivent être optimisées. To obtain a better result, the frequency of the means of displacement of the laser beam 18 and the frequency of the laser ablation means 9 must be optimized.
Les vapeurs et aérosols de l'échantillon 6 se mélangent dans le volume de l'enceinte d'ablation 1 par le biais du gaz vecteur (Argon ou Hélium avec un débit d'environ 0,1 à 2 L/min). Le diamètre de l'injecteur de la source d'atomisation et d'ionisation 14 est fixé. La vitesse d'introduction du mélange dépend essentiellement du débit. La dimension de l'enceinte d'ablation 1 est avantageusement la plus faible possible. The vapors and aerosols of the sample 6 mix in the volume of the ablation chamber 1 through the carrier gas (Argon or Helium with a flow rate of about 0.1 to 2 L / min). The diameter of the injector of the atomization and ionization source 14 is fixed. The rate of introduction of the mixture depends essentially on the flow rate. The size of the ablation chamber 1 is advantageously the smallest possible.
A titre d'exemple, il est ainsi possible de réaliser des zones d'ablation 11 en forme de cratères de 100 pm de diamètre ablatant successivement des disques de 100 pm de diamètre comme le montre la figure 4 B) et de faible profondeur (< à 10 nm). La cadence d'ablation peut être de 71 fois par seconde suivant une direction d'ablation 23 donnée. Sur la figure 4 C), la direction d'ablation 23 est rectiligne. Elle peut être circulaire ou autre II est également possible d'obtenir des cratères ayant un 35 diamètre allant jusqu'à 300 pm dans des conditions de quasi simultanéité, voire plusieurs millimètres dans un temps plus long (de l'ordre de la seconde). Les zones d'ablation peuvent ainsi former des cratères de diamètre généralement compris entre 5 et 300 pm voire plus sur une profondeur pouvant être inférieure à 10 nm. La profondeur de surface ablatée peut être comprise entre 10 nm et quelques millimètres. By way of example, it is thus possible to make crater-shaped ablation zones 100 μm in diameter successively ablating disks of 100 μm in diameter as shown in FIG. 4B) and of shallow depth (< at 10 nm). The ablation rate may be 71 times per second according to a given ablation direction 23. In FIG. 4C), the ablation direction 23 is rectilinear. It can be circular or other. It is also possible to obtain craters having a diameter of up to 300 μm under almost simultaneous conditions, or even several millimeters in a longer time (of the order of one second). Ablation zones can thus form craters of diameter generally between 5 and 300 pm or more to a depth of less than 10 nm. The ablated surface depth may be between 10 nm and a few millimeters.
Le faisceau laser 10 peut donc décaper au moins une zone d'ablation 11 à la surface 7 d'au moins un échantillon 6 en décrivant des cercles. The laser beam 10 can therefore etch at least one ablation zone 11 at the surface 7 of at least one sample 6 by describing circles.
Il est aussi possible de réaliser des cercles concentriques 25 comme le montre la figure 4 C). Sur cet exemple, on commence par former des cercles de plus grand diamètre puis des cercles de plus petit diamètre comme le montre la direction de progression du décapage 24. It is also possible to make concentric circles as shown in Figure 4C). In this example, we begin by forming circles of larger diameter and smaller diameter circles as shown by the direction of progression of stripping 24.
Les possibilités ne sont bien évidemment pas limitées à l'ablation de cercles pour former des cratères. Le faisceau 10 peut décaper la surface 7 de l'échantillon 6 en progressant par rangées successives et alternées sur la surface 7 de l'échantillon 6 en progressant suivant une direction 23 qui est dans cet The possibilities are obviously not limited to the removal of circles to form craters. The beam 10 can etch the surface 7 of the sample 6 by progressing in successive and alternating rows on the surface 7 of the sample 6 while progressing in a direction 23 which is in this area.
exemple linéaire.linear example.
Sur la figure 4 D), le faisceau laser 10 décape alternativement deux zones d'ablation 11 sur la surface 7 d'un échantillon 6 en envoyant des impacts. In FIG. 4D), the laser beam 10 alternately etches two ablation zones 11 on the surface 7 of a sample 6 by sending impacts.
Le faisceau laser 10 peut aussi décaper alternativement plus 25 que deux zones d'ablation 11 sur la surface 7 d'au moins un échantillon 6 en envoyant des impacts. The laser beam 10 can also etch alternately more than two ablation zones 11 on the surface 7 of at least one sample 6 by sending impacts.
Ces exemples représentent d'autres fonctionnalités qui permettent également d'augmenter la surface d'ablation. These examples represent other functionalities that also make it possible to increase the ablation surface.
Sur la figure 5, le faisceau laser 10 décape deux zones d'ablation 11 à la surface 7 d'un échantillon 6 en décrivant des cercles concentriques 25. In FIG. 5, the laser beam 10 etches two ablation zones 11 on the surface 7 of a sample 6 by describing concentric circles 25.
La figure 6 représente un autre exemple d'application de l'invention pour la dilution isotopique. FIG. 6 represents another example of application of the invention for isotopic dilution.
II est possible de réaliser une dilution isotopique par ablation 35 laser directement dans l'enceinte d'ablation 1. Il s'agit ainsi de décaper alternativement et très rapidement la surface de l'échantillon à analyser 27 et la surface 28 d'un échantillon de référence 29, isotopiquement enrichi. Les vapeurs et aérosols des deux échantillons 27 et 29 se mélangent dans le volume de l'enceinte d'ablation 1 par le biais du gaz vecteur (Argon ou Hélium à environ 1 L/min). It is possible to perform isotopic dilution by laser ablation directly in the ablation chamber 1. It is thus possible to strip alternately and very quickly the surface of the sample to be analyzed 27 and the surface 28 of a sample reference 29, isotopically enriched. The vapors and aerosols of the two samples 27 and 29 mix in the volume of the ablation chamber 1 via the carrier gas (argon or helium at about 1 L / min).
Plus la fréquence d'ablation et le déplacement du faisceau laser 10 de façon alternative sont rapides et plus le mélange est homogène. De même que précédemment, la vitesse de déplacement des platines est insuffisante. On ne peut pas décaper alternativement la surface des deux échantillons 27 et 29 suffisamment vite pour que le mélange se fasse quasi simultanément dans le flux de gaz vecteur. Le volume de l'enceinte d'ablation 1 est en effet de l'ordre de 50 ml et le débit de gaz vecteur est de l'ordre de 1 L/min. Ce volume doit être optimisé afin de minimiser les volumes morts. Seule l'intégration d'un moyen de déplacement du faisceau laser 18 du type scanner galvanométrique permet de réaliser un balayage suffisamment rapide. The lower the ablation frequency and the displacement of the laser beam 10, the more homogeneous the mixture. As before, the speed of displacement of the plates is insufficient. The surface of the two samples 27 and 29 can not be etched alternately fast enough for mixing to occur almost simultaneously in the carrier gas stream. The volume of the ablation chamber 1 is in fact of the order of 50 ml and the flow of carrier gas is of the order of 1 L / min. This volume needs to be optimized to minimize dead volumes. Only the integration of a means of displacement of the laser beam 18 of the galvanometric scanner type makes it possible to perform a sufficiently fast scan.
Les deux échantillons 27 et 28 sont placés côte à côte dans l'enceinte d'ablation 1. Une amplitude de déplacement du faisceau laser 10 de l'ordre de 8 mm est réalisée. The two samples 27 and 28 are placed side by side in the ablation chamber 1. An amplitude of displacement of the laser beam 10 of the order of 8 mm is achieved.
Les performances du scanner permettent de réaliser un balayage en aller retour (1 tir par échantillon) de l'ordre de 6 à 20 Hz ce qui est suffisant pour assurer une bonne homogénéité du mélange. A titre d'exemple les lasers nanosecondes commerciaux (pour couplage ICPMS) fonctionnent à basse fréquence (5- 10-20 voire 100 Hz) et assurent une bonne homogénéité de l'écoulement des vapeurs et des aérosols dans l'enceinte d'ablation 1. The performance of the scanner makes it possible to perform a round-trip scan (1 shot per sample) of the order of 6 to 20 Hz, which is sufficient to ensure good homogeneity of the mixture. By way of example, commercial nanosecond lasers (for ICPMS coupling) operate at low frequency (5-10-20 or even 100 Hz) and ensure a good homogeneity of the flow of vapors and aerosols in the ablation chamber 1 .
La machine laser d'analyse directe comprend également une interface de contrôle de l'interaction du faisceau laser 10 avec au moins une zone d'ablation 11. Cette interface de contrôle comprend un dispositif de visualisation 19 de la zone d'ablation 11 en interaction avec le faisceau laser 10, comme le montre la figure 7. The direct analysis laser machine also comprises an interface for controlling the interaction of the laser beam 10 with at least one ablation zone 11. This control interface comprises a display device 19 of the ablation zone 11 in interaction with the laser beam 10, as shown in FIG. 7.
Elle comprend un moyen de déplacement motorisé 20 du porte échantillon dans les trois directions XYZ apte à contrôler la position de la zone d'ablation 11 par rapport au faisceau laser 10. Ce moyen de déplacement motorisé 20 peut être commandé par un joystick 30 permettant un microcontrole avec des courses de 50 x 50 x 25 mm (en XYZ) et une précision de 10 pm. It comprises a motorized movement means 20 of the sample holder in the three directions XYZ able to control the position of the ablation zone 11 with respect to the laser beam 10. This motorized displacement means 20 can be controlled by a joystick 30 allowing a microcontrol with strokes of 50 x 50 x 25 mm (in XYZ) and an accuracy of 10 pm.
Le dispositif de visualisation 19 comprend une caméra CCD reliée à une carte d'acquisition vidéo 21 qui est intégrée dans une unité centrale 22. L'unité centrale 22 comprend un logiciel de représentation à trois dimensions pour visualiser au moins une zone d'ablation 11. The display device 19 comprises a CCD camera connected to a video acquisition card 21 which is integrated in a central unit 22. The central unit 22 comprises a three-dimensional representation software for displaying at least one ablation zone 11 .
Selon un mode de réalisation particulier, l'unité centrale 22 peut comprendre un logiciel de commande du faisceau laser 10. According to a particular embodiment, the central unit 22 may comprise a control software for the laser beam 10.
L'ensemble composé du moyen d'ablation 9, de l'interface de contrôle et de l'enceinte d'ablation 1 peut comprendre un capotage complet, étanche à la lumière avec des portes d'accès, des contacts de sécurité et des hublots filtrants. The assembly consisting of the ablation means 9, the control interface and the ablation chamber 1 may comprise a complete, light-tight cover with access doors, safety contacts and portholes filter.
Différentes dimensions d'enceinte d'ablation 1 permettent de recevoir des échantillons de taille variable. Different sizes of ablation chamber 1 allow to receive samples of variable size.
La focalisation du faisceau laser 10 peut être asservie à la visualisation sur caméra CCD. The focusing of the laser beam 10 can be slaved to the display on a CCD camera.
Les différents objectifs de focalisation permettent de contrôler les tailles de cratères en ajustant la quantité d'énergie par pulse qui est variable de 100% à 0.1 %. Ceci est extrêmement important afin de pouvoir travailler à proximité du seuil d'ablation. C'est la condition qui permet d'obtenir une résolution en profondeur de 10 nm environ. The different focus objectives allow control of crater sizes by adjusting the amount of energy per pulse that is variable from 100% to 0.1%. This is extremely important in order to work near the ablation threshold. This is the condition which makes it possible to obtain a depth resolution of about 10 nm.
Le moyen d'analyse 16 selon l'invention peut être un spectromètre de type spectromètre de masse, un analyseur 30 optique ou tout autre dispositif d'analyse permettant une analyse élémentaire. The analysis means 16 according to the invention may be a spectrometer of the mass spectrometer type, an optical analyzer or any other analysis device allowing elemental analysis.
L'invention peut être appliquée à la microanalyse directe de surface de type analyse de métaux traces ou à l'analyse de spéciation. The invention can be applied to surface microanalysis of the trace metal analysis type or to speciation analysis.
En effet, en couplant un moyen d'ablation laser avec une séparation de protéines sur gel, des analyses de spéciation de métaux sont possibles. Cet outil de spéciation présente un potentiel considérable dans le secteur de la protéomique. Indeed, by coupling a laser ablation means with a gel protein separation, metal speciation analyzes are possible. This speciation tool has considerable potential in the proteomics sector.
Les échantillons analysés peuvent être sous forme solide, de gel ou liquide. The analyzed samples can be in solid, gel or liquid form.
L'invention permet ainsi de fortement minimiser le fractionnementélémentaire et d'obtenir une meilleure sensibilité de détection grâce à une plus grande surface directement analysée dans le moyen d'analyse. The invention thus makes it possible to greatly minimize the elemental fractionation and to obtain a better detection sensitivity thanks to a larger area directly analyzed in the analysis means.
L'invention permet la microanalyse en profondeur de couches minces de matériaux avec une résolution en profondeur de l'ordre de 10 nm. The invention allows deep microanalysis of thin layers of materials with a depth resolution of the order of 10 nm.
20 25 3020 25 30
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