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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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1. Contexte
1.1 IRMS antérieurs au MAT253 Ultra
Les spectromètres de masse dédiés à la mesure des isotopes stables des éléments légers tels que ceux de l’azote (15N et 14N), du carbone (13C et 12C), de l’oxygène (18O, 17O, 16O) du soufre (36S, 34S, 33S, 32S) ou de l’hydrogène (H et D) ont été conçus à la fin des années 1940 .
Ces analyseurs sont constitués (i) d’une source ionique par impact électronique, (ii) d’une optique de transfert, i.e. tension d’accélération, (iii) d’un secteur magnétique pour séparer les ions suivant leur rapport masse/charge et (iv) de détecteurs. Alors que les rapports isotopiques peuvent être mesurés en monocollection, c’est-à-dire en comparant les abondances isotopiques, pour une même espèce chimique, les unes après les autres en changeant la valeur du champ magnétique, Alfred Nier a permis l’analyse en multicollection qui permettait de mesurer en même temps tous les signaux d’intérêt. Cela a considérablement amélioré les temps d’analyse et réduit les erreurs associées aux rapports isotopiques.
Plus récemment, depuis environ 25 ans, ces mêmes spectromètres de masse permettent aussi l’analyse des isotopologues doublement substitués.
Un isotopologue est une espèce chimique qui diffère d’une autre par la substitution d’au moins un de ses atomes par un de ses isotopes. À noter que certains isotopologues sont majoritairement présents dans la nature alors que d’autres sont rares. Par exemple, le dihydrogène possède trois isotopologues stables : H2, HD et D2. Alors que le H2 est majoritaire, les abondances du HD et du D2 sont faibles avec des rapports HD/H2 et D2/H2 respectivement d’environ 10−4 et 10−8.
Néanmoins, ces instruments sont imparfaits, même plus de 70 ans après leur invention. Une limitation de ces instruments concerne leur pouvoir...
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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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