Qu'est-ce qu'un spectromètre de masse à rapport isotopique?

Un spectromètre de masse à rapport isotopique (IRMS) est un instrument qui mesure les rapports de différents isotopes d'éléments particuliers. Tous les éléments ont des isotopes qui ne diffèrent les uns des autres que par le nombre de neutrons dans le noyau, ce qui leur confère des poids atomiques différents. Le principe du spectromètre de masse à rapport isotopique est de différencier les isotopes sur la base de leurs masses différentes et de déterminer les rapports entre paires d'isotopes. Cet appareil peut fournir des informations vitales sur l’âge et l’origine d’un échantillon de matériel. Le spectromètre de masse à rapport isotopique trouve des applications dans de nombreux domaines, notamment la géologie, la biologie et la criminalistique.

La conception des spectromètres de masse à rapport isotopique peut varier, mais ils suivent généralement les mêmes principes de base. Il y aura une entrée où l'échantillon est introduit, menant à une chambre de combustion où le matériau est converti en gaz, avec éventuellement un moyen de séparer les différents gaz pouvant être produits. Cette étape convertit également les matières biologiques complexes en composés simples nécessaires à l'analyse, tels que le dioxyde de carbone (CO 2 ), l'eau (H 2 O) et l'azote (N 2 ). Le gaz résultant est introduit dans une chambre d'ionisation où il est ionisé par un faisceau d'électrons. Le gaz ionisé est ensuite focalisé en tant que faisceau dans une zone de séparation de masse, où un électroaimant est utilisé pour dévier les ions, de sorte que différents isotopes soient séparés en fonction de leurs masses.

Après avoir traversé la zone de séparation de masse, les ions atteignent des collecteurs générant des signaux électriques proportionnels au nombre d'ions détectés. Les ions des isotopes les plus légers auront été déviés davantage par le champ magnétique que les plus lourds, de sorte que les capteurs seront positionnés en conséquence. Ainsi, les proportions relatives de différents isotopes peuvent être calculées.

Les échantillons doivent être préparés avant d’être introduits dans le spectromètre de masse à rapport isotopique. Dans le cas de substances biologiques, par exemple, les échantillons peuvent être sous forme de feuilles, de terre ou d’autres matériaux non homogènes. Les matériaux solides seront généralement séchés et broyés en une poudre fine. Les échantillons liquides seront soit séchés, soit absorbés sur un matériau solide poreux. Avant de réaliser une analyse du rapport isotopique, un étalonnage utilisant des matériaux d’élément connu et des rapports isotopiques sera généralement effectué.

Les rapports globaux des isotopes stables de tout élément de la Terre ont été fixés au moment de la formation de la planète. Bien que différents isotopes d'un élément aient les mêmes propriétés chimiques, d'autres facteurs tels que la mobilité et la volatilité sont influencés par les masses des isotopes. En raison de ces différences, divers processus géochimiques et biochimiques peuvent concentrer ou épuiser des isotopes particuliers par rapport à leurs valeurs de fond, un phénomène connu sous le nom de fractionnement isotopique. Par exemple, la photosynthèse entraîne un appauvrissement faible mais significatif de l'isotope carbone 13 par rapport à l'atmosphère.

Les différences dans les rapports d'isotopes d'éléments tels que le carbone, l'oxygène, l'azote et d'autres peuvent fournir des informations importantes sur l'origine et l'historique d'un échantillon. Il est possible, à l'aide d'un spectromètre de masse à rapport isotopique, de déterminer si un matériau est d'origine organique et même, dans certains cas, de déterminer la zone géographique d'origine. Cela peut être utile en criminalistique. Par exemple, des échantillons de drogues illicites peuvent être retracés jusqu'à leur origine et les échantillons de sol prélevés sur un suspect peuvent être comparés de manière isotopique à ceux provenant d'une scène de crime.

Comme la température et les précipitations peuvent influer sur le fractionnement isotopique, la spectrométrie de masse à rapport isotopique peut être utilisée pour étudier le climat de la Terre dans le passé. Les taux d'absorption et de dépôt d'isotopes de carbone et d'oxygène par les organismes marins formant des coquilles varient en fonction du climat. Les rapports isotopiques des restes fossilisés de ces organismes peuvent donc être utilisés pour obtenir des informations sur les conditions climatiques de leur vivant.

En géologie, la datation radiométrique est une application importante du spectromètre de masse à rapport isotopique. Les rapports isotopiques de certains éléments métalliques peuvent être utilisés pour déterminer l'âge d'un échantillon de roche. Une fois la roche formée, elle contiendra des isotopes radioactifs. Celles-ci se désintègrent en d'autres isotopes, du même élément ou, plus communément, en un élément différent, à un taux connu. Le rapport entre l'isotope d'origine - ou "parent" - et le produit de désintégration - ou "fille" - isotope peut donc être utilisé pour déterminer l'âge de la roche.

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