Cette section analytique est spécialisée dans l'analyse isotopique de polluants organiques (essentiellement des pesticides) présents dans des échantillons environnementaux (liquides et solides). L'étude du fractionnement isotopique (C & N) de ces composés permet d’accéder à des données de dégradation (microbienne, photolyse, hydrolyse, etc…) et aide à différencier les processus destructifs (dégradation) des processus non destructifs (sorption et dilution notamment). Ainsi, il est possible de mieux connaitre les mécanismes biologiques et géochimiques de transport des pesticides et leurs principales voies d’atténuation dans l'environnement. La thématique générale est donc de suivre et comprendre la dynamique des flux exogènes dans les écosystèmes terrestres.
Summary
EA-IRMS
Applications
Les analyses isotopiques par spectrométrie de masse isotopique à rapport isotopique (EA-IRMS) sont essentielles pour diverses applications scientifiques.
- Dans les études environnementales, elles aident à identifier les sources de pollution et à comprendre les processus biogéochimiques.
- En écologie, elles permettent de suivre les migrations animales et les réseaux trophiques en analysant les isotopes stables dans les tissus biologiques.
- Lutte contre la fraude : Elles permettent de tracer les origines géographiques et les sources alimentaires des produits agricoles, aidant ainsi à lutter contre la fraude alimentaire (exemple : vins, miels, huiles d’olives…).
- Enfin, en médecine légale, elles sont utilisées pour déterminer les origines géographiques des substances illicites et pour résoudre des enquêtes criminelles en analysant les isotopes des éléments présents dans des échantillons biologiques ou matériels.
Présentation
L'EA-IRMS est un analyseur élémentaire couplé à un spectromètre de masse isotopique (Isotopic Ratio Mass Spectrometer). Il permet de déterminer %C et %N ainsi que δ13C et δ15N pour des échantillons solides et liquides. Pour cela, l'échantillon est placé dans une capsule en étain qui sera ensuite introduite dans un réacteur de combustion. L'échantillon subit une combustion flash à 1000°C puis une réduction à 550°C dans le second réacteur (cf. schéma). Il est ainsi converti en gaz élémentaires: CO2, N2 et H2O. L'eau est éliminée par un piège et les autres gaz sont séparés par une colonne chromatographique, type tamis moléculaire. Les pourcentages en C et N sont déterminés par l'intermédiaire du TCD (détecteur catharomètre non destructif). En sortie de ce détecteur, les gaz sont introduits dans le spectromètre de masse (IRMS) par l'intermédiaire du module Conflo IV. Chaque molécule de gaz est alors ionisée sous l’effet d’un faisceau d'électrons et les ions créés sont ensuite séparés par un champ magnétique en fonction du rapport m/z. Les différentes isotopes produits sont collectés par des détecteurs ou cages de faraday.
Le laboratoire dispose d’un couplage Thermo Scientific EA Flash avec un IRMS Delta V Plus permettant l’analyse des isotopes du carbone δ13C et de l’azote δ15N sur des matrices solides (poudres, sols, échantillons biologiques…). Le système Flash permet une dilution automatique des échantillons.
Caractéristiques des analyses EA-IRMS
- Mesures δ13C et δ15N sur toute matrice solide ou visqueuse
- Sensibilité de la mesure avec des masses d’échantillon de 0.1 à 1mg
- Précision < 0.2‰
- Passeur de 30 positions
- Calibration à trois points avec les standards certifiés IAEA-600 (caféine) et USGS40/USGS41 (l’acide L-glutamique)
GC-C-IRMS
Applications
Contrairement à l’EA-IRMS qui permet de mesurer les compositions isotopiques d’un échantillon entier (appelé aussi « bulk), les analyses GC-C-IRMS permettent de mesurer la composition isotopique de molécules individuellement. On appelle cette approche le compound-specific isotope analysis ou CSIA. Les analyses isotopiques en CSIA (Compound-Specific Isotope Analysis) sont cruciales pour diverses applications scientifiques.
- Elles permettent de tracer l'origine et la réactivité des polluants environnementaux, en identifiant les sources de contamination et les processus de dégradation. Les approches CSIA sur certains pesticides ont montré un fort potentiel pour évaluer leur dégradation et éventuellement prédire les produits de transformations.
- Les chercheurs en climatologie utilisent CSIA pour reconstruire les variations climatiques passées à partir des archives naturelles comme les sédiments marins.
- En biologie, ces analyses sont employées pour étudier les réseaux trophiques et les régimes alimentaires des organismes. Les approches CSIA sur les acides aminés sont utilisées.
- Enfin, en géochimie du pétrole, CSIA aide à identifier les sources de pétrole et les processus de formation et d'altération des hydrocarbures.
Présentation
Une fois l’échantillon concentré, il peut être analysé par GC-C-IRMS (Gas Chromatography-Combustion-Isotope Ratio Mass Spectrometry). Cette technique permet d'obtenir les rapports isotopiques δ13C et δ15N pour les différentes molécules organiques constituant l'échantillon. Elle s'effectue en 3 grandes étapes. Tout d'abord, l'échantillon liquide est injecté par l'intermédiaire d'un passeur automatique dans le système chromatographique en phase gazeuse. Les différentes molécules organiques constituant l'échantillon vont y être séparées par l'intermédiaire d'une colonne capillaire (cf. schéma de fonctionnement ci-dessous). Ensuite, chaque molécule va subir une phase d'oxydation dans un four à 1000°C pour être transformée en gaz simples CO2, NOx et H2O. Les molécules d'eau sont retenues par un piège en sortie du réacteur. Pour finir, les autres molécules gazeuses sont introduites dans le spectromètre de masse (IRMS) par l'intermédiaire du module Conflo IV. Chacune d'elle est alors ionisée sous l’effet d’un faisceau d'électrons et les ions créés sont ensuite séparés par un champ magnétique en fonction du rapport m/z. Les différentes isotopes produits sont collectés par des détecteurs ou cages de faraday.
Le laboratoire dispose d’un couplage Thermo Scientific TRACE GC Ultra avec un IRMS Delta V Plus et interfaces ISOLINK et CONFLOW IV. Le passeur automatique permet des analyses d’echantillons injectés en mode liquide et gazeux (headspace).
Caractéristiques des analyses GC-C-IRMS
- Mesures δ13C, δ15N et δ2H sur hydrocarbures, pesticides ou solvants chlorés
- Nécessite environ 10ng de C, N ou H injecté
- Précision < 0.5‰ pour C et N et < 1‰ pour H
- Passeur de 60 positions
- Calibration à trois points avec les standards certifiés IAEA-600 (caféine) et USGS40/USGS41 (l’acide L-glutamique)
Savoir-faire et compétences
- Les échantillons analysés sont des échantillons environnementaux (eaux, sols, sédiments, ...)
- Les familles de molécules analysées sont les pesticides (famille des chloroacétanilides, les herbicides comme le métolachlore, l’acétochlore, l’alachlore, le pendiméthaline et l’oryzalin, ou encore un fongicide comme le métalaxyl) ainsi que leurs produits de dégradation
- Utilisation de la référence V-PDB (Vienna Pee Dee Belemnite) et des standards IAEA-600 (caféine) et USGS40/USGS41 (l’acide L-glutamique)
Contact
Benoît Guyot, Assistant Ingénieur CNRS b.guyot[at]unistra.fr
Jérémy Masbou, Maître de Conférence ENGEES masbou[at]unistra.fr