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 donne des poids atomiques différents. Le principe du spectromètre de masse à rapport isotopique est de différencier les isotopes sur la base de leurs différentes masses 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 matériau. Le spectromètre de masse à rapport isotopique a des applications dans de nombreux domaines, notamment la géologie, la biologie et la médecine légale.
La conception des spectromètres de masse à rapport isotopique peut varier, mais en général, ils suivent 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, éventuellement avec des moyens de séparer les différents gaz qui peuvent être produits. Cette étape convertit également les matériaux biologiques complexes en composés simples nécessaires à l’analyse, tels que le dioxyde de carbone (CO2), l’eau (H2O) et l’azote (N2). Le gaz résultant est introduit dans une chambre d’ionisation où il est ionisé par un faisceau d’électrons. Le gaz ionisé est ensuite concentré sous forme de faisceau dans une zone de séparation de masse, où un électro-aimant est utilisé pour dévier les ions, de sorte que différents isotopes seront séparés en fonction de leurs masses.
Après avoir traversé la zone de séparation de masse, les ions atteignent des collecteurs qui génèrent des signaux électriques proportionnels au nombre d’ions détectés. Les ions des isotopes les plus légers auront été plus déviés par le champ magnétique que les plus lourds, de sorte que les collecteurs seront positionnés en conséquence. Ainsi, les proportions relatives des 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’un autre matériau non homogène. Le matériau solide sera généralement séché et broyé en une poudre fine. Les échantillons liquides seront soit séchés, soit absorbés sur un matériau solide poreux. Avant d’effectuer une analyse du rapport isotopique, un étalonnage à l’aide de matériaux d’éléments et de rapports isotopiques connus sera généralement effectué.
Les rapports globaux d’isotopes stables d’un élément donné sur 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 épuisement 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’histoire 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 localiser la zone géographique d’où il est originaire. Cela peut être utile en médecine légale. Par exemple, des échantillons de drogues illégales peuvent être retracés jusqu’à leurs origines et des échantillons de sol prélevés sur un suspect peuvent être comparés isotopiquement avec ceux d’une scène de crime.
Comme la température et les précipitations peuvent influencer le fractionnement isotopique, la spectrométrie de masse du 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 selon le climat. Les rapports isotopiques des restes fossilisés de ces organismes peuvent ainsi être utilisés pour obtenir des informations sur les conditions climatiques lorsqu’ils étaient vivants.
En géologie, la datation radiométrique est une application importante pour le 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. Lorsque la roche se forme, elle contient des isotopes radioactifs. Ceux-ci se désintègrent en d’autres isotopes, soit du même élément, soit, plus communément, un élément différent, à une vitesse connue. Le rapport de l’isotope d’origine – ou « parent » – au produit de désintégration – ou « fille » – isotope peut ainsi être utilisé pour déterminer l’âge de la roche.