Analyses isotopiques par spectrométrie de masse - Méthodes et applications

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.