Analyse isotopique - Isotope analysis

Spectromètre de masse à secteur magnétique utilisé dans l'analyse du rapport isotopique, par ionisation thermique

L'analyse isotopique est l'identification de la signature isotopique , l'abondance de certains isotopes stables et éléments chimiques au sein des composés organiques et inorganiques. L'analyse isotopique peut être utilisée pour comprendre le flux d'énergie à travers un réseau trophique, pour reconstruire les conditions environnementales et climatiques passées, pour étudier les régimes alimentaires humains et animaux dans le passé, pour l'authentification des aliments, et une variété d'autres facteurs physiques, géologiques, paléontologiques et chimiques. processus. Les rapports d'isotopes stables sont mesurés à l'aide de la spectrométrie de masse , qui sépare les différents isotopes d'un élément sur la base de leur rapport masse/charge .

Tissu affecté

L'oxygène isotopique est incorporé dans le corps principalement par ingestion, auquel cas il est utilisé dans la formation, à des fins archéologiques, d' os et de dents . L'oxygène est incorporé dans le hydroxylcarbonic apatite de l' os et l' émail des dents .

L'os est continuellement remodelé tout au long de la vie d'un individu. Bien que le taux de renouvellement de l'oxygène isotopique dans l' hydroxyapatite ne soit pas entièrement connu, il est supposé être similaire à celui du collagène ; environ 10 ans. Par conséquent, si un individu restait dans une région pendant 10 ans ou plus, les rapports d'oxygène isotopique dans l'hydroxyapatite osseuse refléteraient les rapports d'oxygène présents dans cette région.

Les dents ne sont pas sujettes à un remodelage continu et leurs rapports isotopiques en oxygène restent donc constants à partir du moment de la formation. Les rapports isotopiques d'oxygène des dents représentent donc les rapports de la région dans laquelle l'individu est né et a grandi. Lorsque des dents de lait sont présentes, il est également possible de déterminer l'âge auquel un enfant a été sevré . La production de lait maternel puise dans l' eau corporelle de la mère, qui a des niveaux plus élevés de 18 O en raison de la perte préférentielle de 16 O par la sueur, l'urine et la vapeur d'eau expirée.

Alors que les dents sont plus résistantes aux changements chimiques et physiques au fil du temps, les deux sont soumises à une diagenèse post-dépositionnelle . En tant que telle, l'analyse isotopique utilise les groupes phosphate plus résistants , plutôt que le groupe hydroxyle moins abondant ou les groupes carbonate diagénétiques plus probables présents.

Applications

L'analyse isotopique a une large applicabilité dans les sciences naturelles . Celles-ci incluent de nombreuses applications dans les sciences biologiques , terrestres et environnementales .

Archéologie

Reconstituer les régimes alimentaires anciens

Les matériaux archéologiques, tels que les os, les résidus organiques, les cheveux ou les coquillages, peuvent servir de substrats pour l'analyse isotopique. Les rapports isotopiques du carbone , de l' azote et du zinc sont utilisés pour étudier les régimes alimentaires des personnes du passé; Ces systèmes isotopiques peuvent être utilisés avec d'autres, comme le strontium ou l'oxygène, pour répondre à des questions sur les mouvements de population et les interactions culturelles, comme le commerce.

Les isotopes du carbone sont analysés en archéologie pour déterminer la source de carbone à la base de la chaîne alimentaire. En examinant le rapport isotopique 12 C / 13 C , il est possible de déterminer si les animaux et les humains mangent principalement des plantes C3 ou C4 . Les sources de nourriture potentielles en C3 comprennent le blé , le riz , les tubercules , les fruits , les noix et de nombreux légumes , tandis que les sources de nourriture en C4 comprennent le millet et la canne à sucre. Les rapports isotopiques du carbone peuvent également être utilisés pour faire la distinction entre les sources alimentaires marines, d'eau douce et terrestres.

Les rapports isotopiques du carbone peuvent être mesurés dans le collagène osseux ou le minéral osseux ( hydroxylapatite ), et chacune de ces fractions osseuses peut être analysée pour faire la lumière sur différents composants de l'alimentation. Le carbone du collagène osseux provient principalement de protéines alimentaires, tandis que le carbone présent dans les minéraux osseux provient de tout le carbone alimentaire consommé, y compris les glucides, les lipides et les protéines.

Pour obtenir une image précise des paléodiets, il est important de comprendre les processus de diagenèse qui peuvent affecter le signal isotopique d'origine. Il est également important pour le chercheur de connaître les variations des isotopes au sein des individus, entre les individus et dans le temps.

Approvisionnement en matériel archéologique

L'analyse isotopique a été particulièrement utile en archéologie comme moyen de caractérisation. La caractérisation des artefacts consiste à déterminer la composition isotopique des matériaux sources possibles tels que les gisements de minerai métallique et à comparer ces données à la composition isotopique des artefacts analysés. Une large gamme de matériaux archéologiques tels que des métaux, du verre et des pigments à base de plomb ont été obtenus à l'aide de la caractérisation isotopique. En particulier dans la Méditerranée de l'âge du bronze, l'analyse des isotopes du plomb a été un outil utile pour déterminer les sources de métaux et un indicateur important de la structure des échanges. L'interprétation des données sur les isotopes du plomb est cependant souvent controversée et fait face à de nombreux défis instrumentaux et méthodologiques. Des problèmes tels que le mélange et la réutilisation de métaux provenant de différentes sources, des données fiables limitées et la contamination des échantillons peuvent être des problèmes d'interprétation difficiles.

Écologie

Tous les éléments biologiquement actifs existent sous différentes formes isotopiques, dont deux ou plus sont stables. Par exemple, la plupart du carbone est présent sous forme de 12 C, avec environ 1% de 13 C. Le rapport des deux isotopes peut être modifié par des processus biologiques et géophysiques, et ces différences peuvent être utilisées de plusieurs manières par les écologistes. Les principaux éléments utilisés dans l'écologie des isotopes sont le carbone, l'azote, l'oxygène, l'hydrogène et le soufre, mais comprennent également le silicium, le fer et le strontium.

Analyse des isotopes stables dans les écosystèmes aquatiques

Les isotopes stables sont devenus une méthode populaire pour comprendre les écosystèmes aquatiques, car ils peuvent aider les scientifiques à comprendre les liens entre les sources et à traiter les informations dans les réseaux trophiques marins. Ces analyses peuvent également être utilisées dans une certaine mesure dans les systèmes terrestres. Certains isotopes peuvent signifier des producteurs primaires distincts formant les bases des réseaux trophiques et le positionnement au niveau trophique . Les compositions d'isotopes stables sont exprimées en termes de valeurs delta (δ) en permil (‰), c'est-à-dire parties pour mille différences par rapport à une norme . Ils expriment la proportion d'un isotope qui se trouve dans un échantillon. Les valeurs sont exprimées sous la forme :

δX = [( R échantillon / R standard ) – 1] × 10 3

où X représente l'isotope d'intérêt (par exemple, 13 C) et R représente le rapport entre l'isotope d'intérêt et sa forme naturelle (par exemple, 13 C/ 12 C). Des valeurs delta plus élevées (ou moins négatives) indiquent des augmentations de l'isotope d'intérêt d'un échantillon, par rapport à la norme , et des valeurs plus basses (ou plus négatives) indiquent des diminutions. Les matériaux de référence standard pour le carbone, l'azote et le soufre sont respectivement le calcaire Pee Dee Belamnite , l'azote gazeux dans l'atmosphère et la météorite Cañon Diablo. L'analyse est généralement effectuée à l'aide d'un spectromètre de masse, détectant de petites différences entre les éléments gazeux. L'analyse d'un échantillon peut coûter entre 30 $ et 100 $. Les isotopes stables aident les scientifiques à analyser les régimes alimentaires et les réseaux trophiques des animaux en examinant les tissus animaux qui portent un enrichissement ou un appauvrissement isotopique fixe par rapport au régime alimentaire. Les fractions musculaires ou protéiques sont devenues le tissu animal le plus couramment utilisé pour examiner les isotopes, car elles représentent les nutriments assimilés dans leur alimentation. Le principal avantage de l'utilisation de l'analyse des isotopes stables par opposition aux observations du contenu de l'estomac est que quel que soit l'état de l'estomac de l'animal (vide ou non), les traceurs isotopiques dans les tissus nous permettront de comprendre sa position trophique et sa source de nourriture. . Les trois principaux isotopes utilisés dans l'analyse du réseau trophique des écosystèmes aquatiques sont le 13 C, le 15 N et le 34 S. Bien que tous les trois fournissent des informations sur la dynamique trophique , il est courant d'effectuer une analyse sur au moins deux des 3 isotopes mentionnés précédemment pour une meilleure compréhension de interactions trophiques marines et pour des résultats plus solides.

Carbone-13

Les isotopes du carbone nous aident à déterminer la principale source de production responsable du flux d'énergie dans un écosystème. Le transfert de 13 C à travers les niveaux trophiques reste relativement le même, à l'exception d'une petite augmentation (un enrichissement < 1 ‰). De grandes différences de δ 13 C entre les animaux indiquent qu'ils ont différentes sources de nourriture ou que leurs réseaux alimentaires sont basés sur différents producteurs primaires (différentes espèces de phytoplancton, herbes des marais.) Parce que δ 13 C indique la source d' origine des producteurs primaires, la les isotopes peuvent également nous aider à déterminer les changements dans les régimes alimentaires, à court terme, à long terme ou permanents. Ces changements peuvent même être corrélés aux changements saisonniers, reflétant l'abondance du phytoplancton. Les scientifiques ont découvert qu'il peut y avoir de larges gammes de valeurs δ 13 C dans les populations de phytoplancton sur une région géographique. Bien qu'il ne soit pas tout à fait certain de savoir pourquoi cela peut être, il existe plusieurs hypothèses pour cet événement. Ceux-ci incluent les isotopes dans les pools de carbone inorganique dissous (DIC) qui peuvent varier avec la température et l'emplacement et que les taux de croissance du phytoplancton peuvent affecter leur absorption des isotopes. Le δ 13 C a été utilisé pour déterminer la migration des jeunes animaux des zones côtières abritées vers les sites extracôtiers en examinant les changements dans leur régime alimentaire. Une étude de Fry (1983) a étudié les compositions isotopiques des crevettes juvéniles des herbiers du sud du Texas. Fry a découvert qu'au début de l'étude, les crevettes avaient des valeurs isotopiques de 13 C = -11 à -14‰ et 6-8‰ pour δ 15 N et δ 34 S. À mesure que les crevettes mûrissaient et migraient vers le large, les valeurs isotopiques changé en ceux ressemblant à des organismes du large (δ 13 C= -15‰ et δ 15 N = 11,5‰ et δ 34 S = 16‰).

Soufre-34

Bien qu'il n'y ait pas d' enrichissement de 34 S entre les niveaux trophiques, l'isotope stable peut être utile pour distinguer benthiques par rapport à pélagiques les producteurs et les marais contre phytoplancton producteurs. Semblable au 13 C, il peut également aider à distinguer les différents phytoplanctons en tant que principaux producteurs primaires des réseaux trophiques. Les différences entre les sulfates et les sulfures d'eau de mer (c. 21‰ vs -10‰) aident les scientifiques dans les discriminations. Le soufre a tendance à être plus abondant dans les zones moins aérobies, telles que les systèmes benthiques et les plantes des marais, que les systèmes pélagiques et plus aérobies. Ainsi, dans les systèmes benthiques, les valeurs de δ 34 S sont plus faibles.

Azote-15

Les isotopes de l'azote indiquent la position des organismes au niveau trophique (reflétant le moment où les échantillons de tissus ont été prélevés). Il y a une composante d'enrichissement plus importante avec δ 15 N car sa rétention est supérieure à celle de 14 N. Cela peut être vu en analysant les déchets des organismes. Les urines de bovins ont montré qu'il y a une déplétion de 15 N par rapport à l'alimentation. Au fur et à mesure que les organismes se mangent, les 15 isotopes N sont transférés aux prédateurs. Ainsi, les organismes situés plus haut dans la pyramide trophique ont accumulé des niveaux plus élevés de 15 N (et des valeurs δ 15 N plus élevées) par rapport à leurs proies et à d'autres avant eux dans le réseau trophique. De nombreuses études sur les écosystèmes marins ont montré qu'il existe en moyenne un enrichissement de 3,2‰ de 15 N par rapport au régime alimentaire entre les différentes espèces de niveau trophique dans les écosystèmes. En mer Baltique, Hansson et al. (1997) ont découvert que lors de l'analyse d'une variété de créatures (telles que la matière organique particulaire (phytoplancton), le zooplancton , les mysidacés , le sprat, l'éperlan et le hareng), il y avait un fractionnement apparent de 2,4‰ entre les consommateurs et leurs proies apparentes.

En plus du positionnement trophique des organismes, les valeurs δ 15 N sont devenues couramment utilisées pour faire la distinction entre les sources terrestres et les sources naturelles de nutriments. Au fur et à mesure que l'eau se déplace des fosses septiques vers les aquifères, l'eau riche en azote est acheminée dans les zones côtières. Le nitrate des eaux usées a des concentrations plus élevées de 15 N que le nitrate que l'on trouve dans les sols naturels des zones côtières. Pour les bactéries, il est plus pratique pour elles d'absorber le 14 N que le 15 N car c'est un élément plus léger et plus facile à métaboliser. Ainsi, en raison de la préférence des bactéries lors de l'exécution de processus biogéochimiques tels que la dénitrification et la volatilisation de l'ammoniac, le 14 N est retiré de l'eau à un rythme plus rapide que le 15 N, ce qui entraîne plus de 15 N entrant dans l'aquifère. 15 N est d'environ 10-20‰ par opposition aux valeurs naturelles de 15 N de 2-8‰. L'azote inorganique émis par les fosses septiques et autres eaux usées d'origine humaine se présente généralement sous la forme de . Une fois que l'azote entre dans les estuaires via les eaux souterraines, on pense que parce qu'il y a plus de 15 N entrant, il y aura aussi plus de 15 N dans le pool d'azote inorganique livré et qu'il est davantage capté par les producteurs qui prélèvent du N. Même si Le 14 N est plus facile à absorber, car il y a beaucoup plus de 15 N, il y aura quand même des quantités assimilées plus élevées que la normale. Ces niveaux de δ 15 N peuvent être examinés chez les créatures qui vivent dans la région et ne sont pas migratrices (comme les macrophytes , les palourdes et même certains poissons). Cette méthode d'identification des niveaux élevés d'apport d'azote devient une méthode de plus en plus populaire pour tenter de surveiller l'apport d'éléments nutritifs dans les estuaires et les écosystèmes côtiers. Les gestionnaires de l'environnement sont de plus en plus préoccupés par la mesure des apports anthropiques de nutriments dans les estuaires, car un excès de nutriments peut entraîner une eutrophisation et des événements hypoxiques , éliminant complètement les organismes d'une zone.

Oxygène-18

L'analyse du rapport de 18 O à 16 O dans les coquilles de palourde du delta du Colorado a été utilisée pour évaluer l'étendue historique de l' estuaire dans le delta du fleuve Colorado avant la construction de barrages en amont.

Hydrogène-2

Le rapport de 2 H, également connu sous le nom de deutérium , à 1 H a été étudié dans les tissus végétaux et animaux. Les isotopes de l'hydrogène dans les tissus végétaux sont corrélés aux valeurs locales de l'eau mais varient en fonction du fractionnement pendant la photosynthèse , la transpiration et d'autres processus dans la formation de la cellulose. Une étude sur les rapports isotopiques des tissus de plantes poussant dans une petite zone du Texas a révélé que les tissus des plantes CAM étaient enrichis en deutérium par rapport aux plantes C4 . Les rapports isotopiques de l'hydrogène dans les tissus animaux reflètent le régime alimentaire, y compris l'eau potable, et ont été utilisés pour étudier la migration des oiseaux et les réseaux trophiques aquatiques.

Sciences médico-légales

Un développement récent de la science médico-légale est l'analyse isotopique des mèches de cheveux. Les cheveux ont un taux de croissance reconnaissable de 9 à 11 mm par mois ou 15 cm par an. La croissance des cheveux humains est principalement fonction de l'alimentation, en particulier de la consommation d'eau potable. Les rapports isotopiques stables de l'eau potable sont fonction de l'emplacement et de la géologie à travers laquelle l'eau s'infiltre. Les variations isotopiques du 87 Sr, du 88 Sr et de l'oxygène sont différentes dans le monde entier. Ces différences de rapport isotopique sont ensuite « fixées » biologiquement dans nos cheveux au fur et à mesure qu'ils poussent et il est donc devenu possible d'identifier les histoires géographiques récentes par l'analyse des mèches de cheveux. Par exemple, il pourrait être possible d'identifier si un suspect terroriste s'était récemment rendu à un endroit particulier à partir d'une analyse capillaire. Cette analyse capillaire est une méthode non invasive qui devient très populaire dans les cas où l'ADN ou d'autres moyens traditionnels n'apportent aucune réponse.

L'analyse isotopique peut être utilisée par les enquêteurs médico-légaux pour déterminer si deux ou plusieurs échantillons d'explosifs ont une origine commune. La plupart des explosifs brisants contiennent des atomes de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'oxygène et ainsi comparer leurs abondances relatives d'isotopes peut révéler l'existence d'une origine commune. Des chercheurs ont également montré que l'analyse des rapports 12 C/ 13 C permet de localiser le pays d'origine d'un explosif donné.

L'analyse isotopique stable a également été utilisée dans l'identification des itinéraires du trafic de drogue. Les abondances isotopiques sont différentes dans la morphine cultivée à partir de pavots en Asie du Sud-Est par rapport aux pavots cultivés en Asie du Sud-Ouest. Il en va de même pour la cocaïne qui est dérivée de la Bolivie et celle de la Colombie.

Traçabilité

Voir aussi : Traçabilité

L'analyse isotopique stable a également été utilisée pour retracer l'origine géographique des aliments, du bois et pour retracer les sources et le devenir des nitrates dans l'environnement.

Géologie

Article principal: géochimie isotopique

Hydrologie

En hydrologie isotopique , les isotopes stables de l'eau ( 2 H et 18 O) sont utilisés pour estimer la source, l'âge et les voies d'écoulement de l'eau circulant dans les écosystèmes. Les principaux effets qui modifient la composition en isotopes stables de l'eau sont l' évaporation et la condensation . La variabilité des isotopes de l'eau est utilisée pour étudier les sources d'eau des ruisseaux et des rivières, les taux d'évaporation, la recharge des eaux souterraines et d'autres processus hydrologiques.

Paléoclimatologie

Le rapport de 18 O à 16 O dans les carottes de glace et d'eau profonde dépend de la température et peut être utilisé comme mesure indirecte pour reconstruire le changement climatique. Pendant les périodes plus froides de l'histoire de la Terre (glaciaires) comme pendant les périodes glaciaires , le 16 O est préférentiellement évaporé des océans plus froids, laissant derrière lui le 18 O légèrement plus lourd et plus lent . Les organismes tels que les foraminifères qui combinent l'oxygène dissous dans l'eau environnante avec du carbone et du calcium pour construire leurs coquilles incorporent donc le rapport 18 O à 16 O dépendant de la température . Lorsque ces organismes meurent, ils s'installent sur le fond marin, préservant ainsi un long et précieux dossier du changement climatique mondial pendant une grande partie du Quaternaire . De même, les carottes de glace sur terre sont enrichies en 18 O plus lourd par rapport à 16 O pendant les phases climatiques plus chaudes ( interglaciaires ) car plus d'énergie est disponible pour l'évaporation de l' isotope 18 O plus lourd . L'enregistrement isotopique de l'oxygène conservé dans les carottes de glace est donc un « miroir » de l'enregistrement contenu dans les sédiments océaniques.

Les isotopes de l'oxygène conservent un enregistrement des effets des cycles de Milankovitch sur le changement climatique au cours du Quaternaire, révélant une cyclicité d' environ 100 000 ans dans le climat de la Terre .

Les références

Liens externes