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RÉSUMÉ
Dans le courant des années 2010, des spectromètres de masse à source gazeuse à double focalisation ont été conçus, comme le MAT253 Ultra de Thermo Fisher Scientific. L’innovation de cet instrument réside dans son pouvoir de résolution en masse qui permet de mesurer les isotopologues rares des molécules H2, CH4 ou encore SO2. Ces mesures permettent ainsi de contraindre certains mécanismes réactionnels qui étaient jusqu’alors hors de portée analytique.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Dan LÉVY : Institut de Physique du Globe de Paris, Université de Paris Cité, Paris, France
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Pierre CARTIGNY : Institut de Physique du Globe de Paris, Université de Paris Cité, Paris, France
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Jabrane LABIDI : Institut de Physique du Globe de Paris, Université de Paris Cité, Paris, France
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Isabelle MARTINEZ : Institut de Physique du Globe de Paris, Université de Paris Cité, Paris, France
INTRODUCTION
Les spectromètres de masse ont été conçus à la fin des années 1940. Leur fonctionnement est basé sur leur capacité à séparer les différentes espèces d’un gaz ionisé à l’aide d’un secteur magnétique en fonction de leur rapport masse/charge, rendant possible la mesure de l’abondance relative de certains isotopes (e.g. H et D).
Des découvertes majeures ont ainsi pu être faites. On peut mentionner, entre autres, les études des climats anciens qui reposent sur l’analyse des variations du rapport 18O/16O dans les roches calcaires qui dépend essentiellement de la température des océans anciens . Par ailleurs, les spectromètres de masse ont permis le développement et une application des méthodes isotopiques à des domaines très larges dont les détections de fraude : « est-ce que ce vin est bien de Bordeaux ? », « est-ce que ce jus d’orange est bien sans sucre ajouté ? » . Les méthodes isotopiques ont aussi permis de mettre en évidence le dopage à la testostérone chez les sportifs de haut niveau via la différence du rapport d’abondance 13C/12C entre la testostérone exogène et la testostérone endogène .
Alors que les thématiques aussi bien fondamentales qu’appliquées ont été traitées par l’analyse isotopique, les performances analytiques des spectromètres de masse n’ont cessé de s’améliorer et ont permis d’analyser des isotopes de moins en moins abondants et de plus en plus difficiles à mesurer. C’est ainsi que le MAT253 Ultra a été conçu au début des années 2010. La géométrie à double focalisation de cet instrument a permis de considérablement améliorer la résolution en masse, ce qui apporte une révolution dans le domaine par sa capacité à mesurer des espèces jusqu’alors non analysables car en trop faible abondance pour être détectées ou être séparées d’interférences.
Après avoir développé le contexte dans lequel le MAT253 Ultra est apparu, les différents composants de cet instrument seront définis pour comprendre son fonctionnement global. Les limites analytiques seront ensuite présentées pour finir sur diverses applications en cours ou prévues dans les prochaines années.
Points clés
Domaine : mesure des isotopologues en phase gazeuse
Degré de diffusion de la technologie : émergence
Technologies impliquées : MAT253 Ultra
Domaines d’application : géochimie des isotopes stables
Principaux acteurs français :
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Pôles de compétitivité : IPGP
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Centres de compétence : IPGP
Autres acteurs dans le monde : différents laboratoires et universités aux États-Unis, aux Pays-Bas, en Écosse, en Allemagne, en Chine et au Japon.
Contact : [email protected]
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2. Description technique de l’innovation
La description du nouveau spectromètre de masse MAT253 Ultra est basée sur l’article d’Eiler et al. (2013) décrivant l’instrument, avec quelques ajouts. Pour la description instrumentale, nous avons divisé cette section en trois parties en commençant par (i) la préparation des échantillons, suivie (ii) des différents composants du MAT253 Ultra et en finissant par (iii) les caractéristiques techniques de l’instrument.
2.1 Préparation des échantillons
Le gaz introduit dans le spectromètre de masse doit être pur pour éviter toute interférence et optimiser le signal de la mesure. Lors de l’analyse de gaz naturels comprenant différentes espèces chimiques, une purification se révèle nécessaire. Celle-ci se fait via un dispositif expérimental en amont de l’analyse. Différentes méthodes de purification peuvent être employées selon l’espèce que l’on veut séparer, comprenant des stratégies de séparation cryogénique et chromatographique par exemple. Pour le H2 par exemple, sa capacité à être en phase gazeuse en-dessous de 40 K est utilisée pour le séparer des autres gaz.
HAUT DE PAGE2.2 Différents composants du MAT253 Ultra
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Gaz de référence
L’abondance des différents isotopes ou isotopologues d’un gaz ne peut être obtenue de manière absolue par ce type de mesure. Nous avons donc recours à un gaz de référence, aussi appelé...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ADNEW (G.A.), HOFMANN (M.E.G.), PAUL (D.), LASKAR (A.), SURMA (J.), ALBRECHT (N.), PACK (A.), SCHWIETERS (J.), KOREN (G.), PETERS (W.), RÖCKMANN (T.) - Determination of the triple oxygen and carbon isotopic composition of CO2 from atomic ion fragments formed in the ion source of the 253 Ultra high-resolution isotope ratio mass spectrometer. - Rapid Communications in Mass Spectrometry, 33, p. 1363-1380. https://doi.org/10.1002/rcm.8478 (2019).
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(3) - BERGER (W.H.) - Cesare Emiliani (1922-1995), pioneer of Ice Age studies and oxygen isotope stratigraphy. - Comptes Rendus Palevol, 1, p. 479-487. https://doi.org/10.1016/S1631-0683(02)00073-8 (2002).
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