La spectrométrie de masse à rapport isotopique (IRMS, pour ) est une spectrométrie de masse avec laquelle il est possible de mesurer l'abondance relative des différents isotopes d'un même élément chimique dans un échantillon donné. Cette technique est utilisée pour mesurer les rapports n'impliquant que des isotopes non radiogéniques (paléothermométrie et traçage : H/H, C/C, N/N, O/O) ou impliquant au moins un isotope radiogénique (datation et traçage : C/C, Ar/Ar, Sr/Sr, Pb/Pb).
Les applications de cette technique déjà ancienne ne cessent de grandir. L'IRMS est utilisée dans plusieurs domaines, tels que les sciences de la Terre, la médecine légale, l'industrie pharmaceutique, la biochimie, la lutte antidopage et les sciences environnementales.
Histoire L’IRMS découle de l’invention du spectromètre de masse proposé pour la première fois par Joseph John Thomson en 1912. L’IRMS a été principalement développé par dans les années 1930–1940. Cette technique a commencé à être popularisée dans les sciences géologiques peu de temps après la Deuxième Guerre mondiale. En 1939, la diminution fondamentale du rapport 13C/12C dans les échantillons organiques (toujours enrichis en 12C, car les molécules légères réagissent plus rapidement en raison de l'effet cinétique isotopique) a été reconnue à l’aide de cette technique. Des images de l’instrument original développé par Alfred Nier sont présentes au Musée national d'histoire américaine. Cet instrument était composé d’un analyseur de masse à secteur magnétique à 180° et d’un détecteur multiple. La disposition fondamentale des composantes de l’IRMS n’a étonnamment pas changé depuis 1940. De même, bien que l’IRMS soit connue depuis les années 1940, cette technique reste considérée comme une technique moderne et innovatrice étant donné le développement d’interfaces à débit continu, ce qui facilite le couplage de l’IRMS à d’autres instruments analytiques tels qu’un analyseur élémentaire et un chromatographe en phase gazeuse..
Origine de l'abondance des isotopes Au tout début du premier éon de l'histoire de la Terre (Hadéen), juste après son refroidissement, les valeurs initiales des rapports isotopiques de chaque élément étaient fixes. Puis, leur variation a progressivement reflété l'enrichissement ou l'appauvrissement des isotopes les plus lourds par rapport aux plus légers. Les plantes utilisent le de l'atmosphère terrestre comme source de carbone, et plusieurs facteurs influencent l'enrichissement ou l'appauvrissement en carbone 13. Par exemple, les plantes monocotylédones comme la canne à sucre, le maïs, les plantes tropicales, les plantes du désert et les plantes marines utilisent un cycle photosynthétique économe en eau (fixation du carbone en C4). Ces plantes présentent des valeurs approximatives de δ13C comprises entre -8 et -20‰ . Les plantes dicotylédones – comme les plantes fleuries, le blé et le riz (dans des climats plus tempérés où l'eau ne manque pas) – utilisent un autre cycle photosynthétique (fixation du carbone en C3) qui donne des valeurs de δ13C variant entre -22 et -35‰ . D'autres facteurs peuvent influencer ces facteurs génétiques, comme la température, les précipitations, le temps d'exposition au soleil, etc. Ces facteurs influencent notamment la cinétique de diffusion du dioxyde de carbone à travers les stomates des feuilles.
En connaissant les valeurs de rapports isotopiques, il est possible de déterminer l'origine de la nourriture consommée par des groupes humains. En effet, les humains ne peuvent ingérer que du carbone provenant de matières végétales ou animales ; les rapports isotopiques du carbone dans un animal reflètent donc ceux de ses sources alimentaires. Par exemple, les Européens mangent plus d'aliments à base de dicotylédones (blé, orge et seigle), caractérisés par un δ13C compris entre -22 et -35‰, tandis que les Américains consomment plus de produits dérivés des monocotylédones (à base de sucre de canne et de dérivés de maïs), dont le δ13C est compris entre -8 et -20‰.
Les rapports isotopiques sont mesurés avec la notation delta (δ), en parties pour mille (‰) de façon relative aux standards universels (CRM) à l'aide de l’équation:
δ‰ = 1000 ‰
La valeur de est le rapport de l'abondance de l'isotope mineur le plus lourd à celle de l'isotope majeur le plus léger (par exemple 13C/12C). La valeur de est établie à l'aide de standards mondiaux correspondant à un matériau stable, hautement enrichi en isotope plus lourd (mineur). En effet, la plupart des éléments analysés sont appauvris en l'isotope le plus lourd, comme le carbone 13, par rapport aux standards où le carbone 13 est enrichi. Il est donc normal d'obtenir un delta négatif, car sera plus grand que . Un exemple d'application de la valeur de delta est le contrôle antidopage. Une valeur élevée du δ13C du carbone d'un stéroïde indique un taux élevé de l'isotope lourd du carbone (13C), caractéristique des molécules synthétiques.
Selon le type d'analyse, plusieurs méthodes de séparation peuvent être mises en œuvre. Les méthodes sont choisies en fonction du type d'analyte et de la matrice. Pour ce faire, il faut choisir une bonne méthode d'étalonnage afin que l'analyse soit réalisée de manière optimale. Par exemple, il est possible de privilégier un étalonnage interne afin de garantir le bon fonctionnement de l'appareil. Donc, un étalon interne est ajouté à chaque analyse afin d'éliminer tout biais ou toute erreur systématique dans les mesures. De plus, des matériaux de référence certifiés (CRM) sont utilisés pour calibrer les appareils. Des standards sont reconnus internationalement comme Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB) pour le carbone, Vienna Canyon Diablo Troilite météorite (V-CDT) pour le soufre, l'eau océanique moyenne normalisée de Vienne ou (VSMOW) pour l'oxygène et l'hydrogène et l'air ambiant pour l'azote . Chaque méthode d'analyse doit être validée selon plusieurs critères. Pour plus d'informations, voir la section « Validation de la méthode ».
Fonctionnement vignette|571x571px|Composantes principales du détecteur avec un secteur magnétique et un détecteur de Faraday L’IRMS est très semblable à une séparation couplée avec un spectromètre de masse. Les analytes peuvent être séparés soit par chromatographie liquide ou gazeuse, suivie d’une analyse élémentaire. Ils sont ensuite oxydés ou brûlés, les convertissant en gaz simple, par exemple le CO2, N2, H2, SO2. Ces gaz sont ensuite analysés par un spectromètre de masse pour déterminer l’abondance des isotopes. Pour le dioxyde de carbone, il y aura des moniteurs dans le spectromètre de masse à des rapports masse sur charge (m/z) de 44, 45, 46, qui correspondent aux combinaisons isotopiques des ions produits par le CO2. Il sera donc possible de déterminer le rapport isotopique des isotopes 12C, 13C, 16O, 17O et 18O dans différentes combinaisons et proportions. Les signaux sont ensuite traités par un ordinateur pour afficher les différents rapports analysés.
Composantes Les composantes de cet instrument dépendent de la méthode de séparation utilisée. En général, ce type de système nécessite une chambre de combustion, une interface et un spectromètre de masse. La chambre de combustion consiste en une atmosphère remplie d’oxygène et un réacteur en quartz. La température de combustion peut atteindre . Un deuxième réacteur en quartz, chauffant à , permet d’éliminer l’excès d’oxygène et de réduire les NOx et N2. L’eau formée lors de la combustion est séparée via un piège à eau constituée par exemple de . Les molécules gazeuses ainsi produites sont alors transférées dans le spectromètre de masse pour l'analyse..
Couplage Le spectromètre de masse à rapport isotopique peut être couplé avec plusieurs techniques de séparation. En fonction de l'analyte à étudier, une méthode d'analyse peut être privilégiée. La prochaine section traite des différentes façons de coupler l’IRMS avec les équipements de séparation, entre autres l'analyse élémentaire (EA), ainsi que la chromatographie gazeuse (GC) ou liquide (LC).
EA-IRMS L’analyse élémentaire (elemental analysis, EA, en anglais) permet d’analyser l’échantillon avec des données assez représentatives pour tout le contenu de l’analyte. Sans préparation adéquate, cette méthode ne divulgue pas comment tous les constituants contribuent aux données obtenues. Il existe deux types d’analyses élémentaires particulièrement utilisées en EA-IRMS. Il s’agit de l’analyse pour les isotopes du carbone et l’azote connu sous le nom de EA-IRMS, ainsi que les analyses pour les isotopes de l'hydrogène et l’oxygène connues sous plusieurs noms différents : EA-IRMS (TC/EA-IRMS), IRMS (HTC-IRMS), IRMS (HTP-IRMS) et IRMS (HTCRIRMS)..
Ces deux analyses peuvent être divisées en quatre étapes. La première est la combustion, ou conversion thermale, de l’échantillon, à l’aide d’un analyseur élémentaire, suivie de l’introduction des gaz résultants dans la source d’ions du spectromètre de masse. Troisièmement, le gaz est ionisé par la source d'ions, donc la séparation et la détection des ions dans le spectromètre de masse permettent d’acquérir les données nécessaires à l’analyse EA-IRMS. La quatrième étape consiste à traiter les données brutes provenant du spectromètre de masse pour obtenir des valeurs de rapports isotopiques. Ces analyses peuvent être effectuées sur des échantillons solides et sur des liquides non volatils à l’aide d’un analyseur élémentaire utilisant des capsules d’argent ou d’étain, tandis que les liquides avec de faibles viscosités peuvent être injectés en utilisant un système d’injection.
Pour l’analyse du carbone et de l’azote, l’échantillon est premièrement passé dans un réacteur de combustion, puis dans un réacteur de réduction, suivi par un système pour éliminer l’eau des gaz produits et parfois par une colonne de chromatographie gazeuse pour séparer le CO2 et le N2 résultant. La combustion se produit dans un réacteur en quartz sous atmosphère de O2 pour transformer les molécules organiques en CO2, en NOx et en H2O. Ce réacteur contient habituellement aussi du Cr2O3 et du Cr3O4 + Ag pour lier les souffres et les halogènes, mais plusieurs variations de réactifs peuvent être utilisés pour des applications spécifiques. Le réacteur à combustion est généralement à des températures entre 900 et , mais la combustion des capsules d’étain peut augmenter la température de la capsule jusqu’à . Étant donné la formation de cendres et de résidus résultants de la combustion de l’échantillon et de la capsule d’étain, il est recommandé d’utiliser un creuset en quartz que l’on remplace chaque 50 à 150 échantillons pour éviter de salir l’appareil. Le réacteur de réduction en quartz à contient généralement du cuivre de haute pureté pour réduire les NOx, l’oxygène en excès et le N2, mais des variations de températures et de réducteur peuvent être faites pour des applications spécifiques.
Pour l’analyse de l’hydrogène et de l’oxygène, le réacteur de combustion est à une température entre et pour transformer les composés organiques et inorganiques en H2, N2 et CO. Les gaz sont ensuite séparés par chromatographie gazeuse puisque N2 est isobarique avec CO (m/z 28) et est connu pour influencer l’ionisation de H2.