Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La détermination de la composition isotopique des éléments, stables ou radioactifs, est utilisée de façon croissante dans de nombreux domaines comme les géosciences, le nucléaire, la biologie, l'agroalimentaire, les sciences du climat et de l'environnement, etc. Après une introduction sur l'origine des abondances isotopiques des éléments et leurs variations, naturelles ou anthropiques, l'article décrit les principales techniques de spectrométrie de masse pour l'analyse isotopique dans les échantillons solides, liquides ou gazeux. Une comparaison des performances analytiques de ces techniques, des exemples concrets d'applications ainsi que les perspectives d'évolution par rapport aux besoins, sont ensuite présentés.
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The determination of the isotopic composition of elements, stable or radioactive, is used in an increasing way in many scientific disciplines such as geochemistry, nuclear, biology, food processing industry, environmental chemistry, etc. After an introduction on the origin of the isotopic abundances of the elements and their variations, natural or anthropic, the main techniques of mass spectrometry for the isotopic analysis in solid, liquid or gaseous samples are described. This article presents then a comparison of the analytical performances of these techniques, concrete examples of applications as well as the perspectives of evolution compared to the needs.
Auteur(s)
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Frédéric CHARTIER : Chef de projets sciences analytiques au CEA Saclay, France
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Hélène ISNARD : Ingénieur chercheur au CEA Saclay, France
-
Anthony NONELL : Ingénieur chercheur au CEA Saclay, France
INTRODUCTION
La mesure des variations, naturelles ou anthropiques, des compositions isotopiques des éléments est à l'origine d'un nombre croissant d'applications dans de nombreux domaines comme les géosciences, le nucléaire ou les sciences du climat et de l'environnement. Parmi l'ensemble des techniques analytiques, les techniques de spectrométrie de masse sont celles qui fournissent les résultats les plus justes et les plus reproductibles pour effectuer ces analyses isotopiques mais également élémentaires, par la méthode de la dilution isotopique, quelle que soit la nature de l'échantillon. Différentes sources d'ionisation ont ainsi été développées en fonction de la nature de l'échantillon. Elles sont généralement associées à un analyseur à secteur magnétique et à une détection par multicollection, qui sont les systèmes fournissant les meilleures performances analytiques.
Une séparation chimique de l'élément d'intérêt est souvent nécessaire en amont de l'analyse isotopique afin de supprimer les interférences spectrales et non spectrales, que ce soit pour les échantillons sous forme gazeuse avec la spectrométrie de masse de rapports isotopiques SMRI, ou sous forme liquide avec les spectrométries de masse à source plasma à couplage inductif ICPMS et à thermo-ionisation TIMS. Le couplage des techniques séparatives avec la SMRI et l'ICPMS a connu des progrès extrêmement rapides et a également permis, dans le cas de l'ICPMS, d'étendre l'utilisation de la dilution isotopique au domaine de la spéciation, en particulier pour les applications concernant le vivant.
Les techniques d'analyse isotopique dans les échantillons solides (spectrométrie de masse à décharge luminescente GDMS, des ions secondaires SIMS et ablation laser couplée à l'ICPMS) ont également ouvert de nouvelles perspectives d'applications, ont réduit le nombre d'étapes de traitement de l'échantillon et permettent désormais des analyses isotopiques in situ avec d'excellentes résolutions spatiales.
Il est difficile de citer l'ensemble des disciplines scientifiques concernées par la mesure des abondances isotopiques tant elles sont nombreuses. En effet, les applications portent autant sur la datation précise de roches, que sur la qualification des radionucléides dans les combustibles nucléaires, la détection de fraudes alimentaires, le contrôle antidopage, les études de mécanismes de réactions ou de complexation dans les sciences du vivant, ou encore la détermination des poids atomiques et des constantes nucléaires.
Cet article présente les performances actuelles et les évolutions futures des techniques de spectrométrie de masse ainsi que leurs principales applications dans le cadre de l'analyse isotopique des éléments.
L'expertise technique et scientifique de référence
KEYWORDS
applications | isotopy | analytical chemistry | methods | nuclear | geosciences
VERSIONS
- Version archivée 1 de avr. 1993 par Éric ELIOT, René LÉTOLLE, Étienne ROTH
DOI (Digital Object Identifier)
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Isotopes et rapports isotopiques : rappels et définitions4. Conclusion – perspectives
La détermination des abondances isotopiques des éléments par les techniques de spectrométrie de masse a considérablement progressé ces dernières années, que ce soit pour les échantillons sous forme solide, liquide ou gazeuse. En particulier les performances atteintes en termes de justesse et de fidélité ont significativement évolué, ce qui permet d'accéder à l'étude de processus de plus en plus fins.
L'ICPMS, en particulier, est la technique qui a connu la plus forte croissance ces dernières années. Sa sensibilité et son pouvoir d'ionisation élevé, associés au développement de la multicollection, confèrent à l'ICPMS MC des performances en analyse isotopique au moins comparables à celles fournies par la TIMS, considérée comme la technique de référence. Sa facilité de couplage avec les techniques séparatives ou avec l'ablation laser lui donne également une souplesse unique dans le domaine.
La SMRI permet de déterminer les rapports isotopiques des traditionnels éléments « organiques », C, H, O, N, et S avec un nombre d'applications toujours croissant. Les développements sont également nombreux dans le domaine du couplage avec les techniques séparatives de chromatographie en phase gazeuse, et maintenant en phase liquide.
La GDMS est actuellement la technique la plus sensible et la plus reproductible pour l'analyse directe d'ultratraces en volume dans les échantillons solides, qu'ils soient conducteurs ou isolants. La GDMS est ainsi appliquée à la détermination des abondances isotopiques des éléments dans de nombreuses matrices solides avec de très bonnes reproductibilités et justesses.
Les analyses isotopiques ont également fortement évolué avec les développements en SIMS et AL-ICPMS et les limitations actuelles sont plus liées à la quantité restreinte de matière analysée qu'à l'instrumentation. La SIMS offre ainsi des possibilités uniques d'analyse isotopique sur échantillons solides, avec d'excellentes sensibilités et résolutions spatiales, particulièrement intéressantes pour l'analyse isotopique dans des inclusions ou des particules. Des progrès sont attendus pour améliorer la reproductibilité et la justesse des mesures afin d'atteindre les performances des techniques d'analyse isotopique en volume. L'application de la SIMS à la détermination isotopique des isotopes stables est aussi en plein essor, même si un facteur d'amélioration de l'ordre de dix...
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Conclusion – perspectives
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - International Atomic Energy Agency - Nuclear data section. - Vienna International Centre, Austria (2013) http://www-nds.iaea.org/
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(3) - IUPAC - Compendium of chemical terminology. - 2nd ed. The « Gold Book ». XML on-line corrected version : last update (2012) http://www.goldbook.iupac.org
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(4) - COPLEN (T.B.) - Guidelines and recommended terms for expression of stable-isotope-ratio and gas-ratio measurement results. - Rapid Communications in Mass Spectrometry, 25, p. 2538-2560 (2011).
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(6) - WIESER (M.E.),...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
GEOREM, Geological and Environmental Reference Materials, Max Planck Institute database http://www.georem.mpch-mainz.gwdg.de/
COMAR, International Database for Certified Reference Materials, BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, Berlin, Germany http://www.comar.bam.de/en/
HAUT DE PAGE
Handbook of Chemistry and Physics http://www.hbcpnetbase.com/
International Atomic Energy Agency – Nuclear Data Section http://www-nds.iaea.org/
IUPAC. Compendium of Chemical Terminology http://www.goldbook.iupac.org
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