Chapitre I Introduction Générale
IV. Utilisation de l’outil isotopique
IV.3. Mesures des compositions isotopiques du magnésium et du calcium
Les rapports isotopiques du Mg et du Ca peuvent être analysés avec différents types de spectromètre de masse : spectrométrie de masse à ionisation thermique (TIMS), spectrométrie de masse à source plasma à couplage inductif et à multi-collection (MC-ICP-MS), spectrométrie de masse à source plasma à couplage inductif (ICP-MS). Bien que ces spectromètres de masse soient différents, leur fonctionnement repose sur les mêmes principes. Les différents composés chimiques qui composent l’échantillon sont atomisés puis ionisés (formation d’ions avec une charge positive), un faisceau ionique est généré en accélérant et en focalisant les ions, ces ions sont ensuite séparés par un champ magnétique selon leur masse et leur charge (m/z). Enfin le faisceau ionique ainsi séparé ou filtré percute un détecteur qui comptabilise les ions de ce faisceau (coup/sec). Les différents types d’instruments se différencient par le procédé d’ionisation, par la méthode de séparation des ions dans le faisceau ionique et par le type de détecteur. Les rapports isotopiques du Mg et Ca sont classiquement analysés avec des spectromètres de masse de type MC-ICP-MS (Bolou-Bi et al. 2010; Bolou-Bi et al. 2012; Halicz et al. 1999; Meija et al. 2009; Morgan et al. 2011; Tipper et al. 2008b) ou TIMS (De La Rocha and DePaolo 2000; DePaolo 2004; Ewing et al. 2008; Gopalan et al. 2006; Heuser et al. 2002;
Holmden 2005; Russell et al. 1978; Skulan et al. 1997; Zhu and Macdougall 1998). Ces instruments diffèrent par le procédé d’ionisation. Dans le système TIMS, l’échantillon est déposé
38
Chapitre I : Introduction générale
sur un filament (e.g. Re, Ta, W) qui est chauffé par un courant électrique à travers ce filament et engendre l’ionisation de l’échantillon. Dans le système MC-ICP-MS, l’échantillon (liquide) est injecté dans un plasma d’argon (ICP). Le système de séparation et les cages de faraday (détecteurs système multi-collection) de ces instruments permettent de mesurer simultanément plusieurs masses différentes. TIMS et MC-ICP-MS sont les spectromètres de masse les plus précis et ont la plus haute résolution (capacité à distinguer deux masses différentes) pour analyser les rapports isotopiques du magnésium et du calcium mais requièrent tous deux une étape préalable à l’analyse de purification chimique de l’échantillon de manière à éliminer les interférences spectrales (décrites ci-dessous).
Figure I- 8: Théorie de la dilution isotopique
39
Etat initial Etat final
A. Mesure de la taille d’un pool par marquage isotopique
Traceur [yX]T XT
Pool A initial [yX]A,i XA,i
Pool A final [yX]A,f XA,f
Etat initial Etat final
Flux entrant [yX]Flux XFlux Pool A initial [yX]A,i XA,i
Pool A final [yX]A,f XA,f=XA,i+XFlux B. Mesure d’un flux entrant dans un pool marqué
C. Mesure d’un flux entre deux pools
Pool A initial [yX]A,i XA,i
Pool B initial [yX]B,i XB,i
Pool A final [yX]A,f XA,f
Pool B final [yX]B,f XB,f Flux
[yX]Flux XFlux
Etat initial Etat final
Inconnu: XA,i
Hypothèse: XA,f=XA,i+XT
Inconnu: XFlux
Hypothèse: XA,f=XA,i+XFlux
Inconnu: XFlux
Hypothèse: XB,f=XB,i+XFlux [yX]Flux= [yX]A,i
XAest la quantité de l’élément total X dans le pool ou le flux «A »
[yX]Aest la concentration du traceur isotopique yXde l’élément Xdans le pool ou le flux «A »
Apport du multi-traçage isotopique (2H, 15N, 26Mg et 44Ca) à la connaissance des flux d’éléments minéraux dans les écosystèmes forestiers
Les systèmes ICP-MS permettent aussi de mesurer les rapports isotopiques du Mg et du Ca (Becker et al. 2008; Weatherall et al. 2006a; b). Dans ce système, le faisceau ionique est filtré par un quadrupôle (seule la masse définie est conservée dans le faisceau ionique). Les ICP-MS ne sont équipés que d’un seul détecteur et ne permettent donc pas la mesure simultanée de plusieurs masses différentes. En conséquence, la précision et la résolution de ce système sont moindres par rapport aux systèmes TIMS ou MC-ICP-MS. Cependant, l’achat et l’entretien de systèmes ICP-MS est beaucoup moins onéreux que des systèmes TIMS ou MC-ICP-MS. De plus, les temps d’analyses sur ICP-MS sont beaucoup plus court : généralement autour de 5 à 6
min.échantillon-1 au lieu de 40 min.échantillon-1 pour Mg sur MC-ICP-MS et 1 à 2 h.échantillon-1 pour Ca sur TIMS. Enfin, dans de nombreux cas, au vue de la précision et de la
résolution de l’instrument, l’étape de purification chimique n’est pas requise pour l’analyse sur ICP-MS. Les systèmes ICP-MS peuvent donc être une solution pour les analyses de rapports isotopiques dans le cadre d’expériences de traçage isotopique où le nombre d’échantillons est élevé et la précision d’analyse requise est moindre que pour des études de variations isotopiques naturelles.
En spectrométrie de masse, il existe plusieurs grands types de biais analytiques : le fractionnement instrumental et les interférences spectrales. Selon les cas et la précision recherchée, ces biais peuvent être soit corrigé post-analytiquement par des équations mathématiques, soit éviter par des traitements pré-analytiques (étape de purification de l’échantillon).
IV.3.1. Le fractionnement instrumental
Le fractionnement instrumental ou biais de masse correspond à la sur ou sous-estimation d’un rapport isotopique lors de l’analyse.
1. Le fractionnement instrumental a lieu dès l’ionisation de l’échantillon : la ionisation de certains isotopes d’un même élément peut requérir plus d’énergie que les autres isotopes (TIMS), les collisions entre les ions et l’argon dans le plasma (ICP) favorisent la perte des éléments les plus légers.
2. Lors de l’extraction des ions, les isotopes lourds sont concentrés vers le centre du plasma, tandis que les isotopes légers sont excentrés. Les isotopes lourds sont alors transmis préférentiellement dans l’analyseur,
3. lors de l’accélération du faisceau d’ions à travers les lentilles de focalisation, les électrons sont alors éliminés, et seuls les ions positifs sont accélérés. Il se produit alors des répulsions électrostatiques entre ces ions, induisant un décentrage des isotopes légers du faisceau d’ions.
Le fractionnement instrumental est corrigé post-analytiquement. Pour les systèmes ICP- MS, le fractionnement instrumental est indépendant de l’échantillon et la dérive temporelle du fractionnement instrumental est supposé linéaire. Pour corriger le fractionnement instrumental, des standards de composition isotopique connue sont insérés dans les séries d’échantillons. Le fractionnement instrumental est mesuré pour chaque standard puis extrapolé pour chaque échantillon.
40
Chapitre I : Introduction générale
IV.3.2. Les interférences spectrales
Les interférences spectrales correspondent à la détection simultanée par l’appareil des masses de 2 espèces différentes. Les rapports m/z de ces espèces étant très proches, la résolution de l’appareil peut être trop faible pour les distinguer. Il existe trois types d’interférences spectrales :
x les interférences isobariques correspondent aux éléments présentant des isotopes de même masse (différence de masse inférieure à la résolution). Par exemple, le potassium et l’argon présente un isotope de masse proche de 40 (40Ca).
x les interférences polyatomiques sont issues de la formation des espèces moléculaires ioniques. Ces interférences résultent de la recombinaison entre des espèces présentes dans la matrice et/ou avec les ions du plasma. Des éléments constitutifs des produits utilisés pour la préparation des échantillons peuvent participer à ces recombinaisons.
x les interférents divalents peuvent se former dans le plasma (formation d’ion avec 2 charges positives). Ils correspondent aux éléments dont la masse est deux fois plus grande que la masse de l’isotope analysée : 51V, 52Cr (interférence sur la masse 26),
87Rb, 87Sr, 88Sr, 89Y (interférence sur la masse 44).
Des traitements chimiques des échantillons s’imposent et constituent la principale technique de résolution des interférences liées à la matrice (Galy et al. 2001; Wombacher et al.
2009). Ces traitements chimiques consistent à séparer le Mg des autres éléments de la matrice afin d’obtenir une fraction mono-élémentaire de Mg ou de Ca. Les différents protocoles de purification chimique ont communément recourt à la chromatographie ionique (Chang et al.
2003; Schmitt et al. 2009; Wombacher et al. 2009). Un fractionnement isotopique peut s’opérer durant cette étape de purification. Il est donc impératif de récupérer 100% du Mg ou du Ca initialement dans l’échantillon. Cette étape de purification chimique est aussi souvent longue et doit être réalisée dans des laboratoires propres (salle blanche) pour éviter toute contamination des échantillons.
La connaissance de la précision, la répétabilité et de la justesse des mesures de rapports isotopiques est essentielle pour pouvoir définir les erreurs de mesures et déterminer la limite de détection des traceurs isotopiques 26Mg et 44Ca (seuil au-delà duquel on considère que l’enrichissement mesuré n’est pas simplement lié aux variations isotopiques naturelle ou à la variabilité analytique mais est dû à la présence de traceurs isotopiques dans l’échantillon). Enfin, il est aussi essentiel de vérifier les différents biais analytiques (interférences spectrales, interférences non-spectrales, biais de masse).
41
Apport du multi-traçage isotopique (2H, 15N, 26Mg et 44Ca) à la connaissance des flux d’éléments minéraux dans les écosystèmes forestiers