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Laboratoire de recherche sur les isotopes stables en écologie et en hydrologie

Le Laboratoire de recherche sur les isotopes stables en écologie et en hydrologie effectue de la recherche appliquée, élabore de nouvelles méthodes dans les domaines des isotopes stables en écologie et en hydrologie et fournit des services d'analyse d'isotopes légers aux chercheurs de l'INRE et d' Environnement Canada, pour soutenir les programmes nationaux de recherche. Le laboratoire est situé dans les locaux du Centre national de recherche en hydrologie de l'Université de la Saskatchewan, à Saskatoon. Ces services d'analyse peuvent être utilisés par d'autres ministères et par le secteur privé selon une formule à recouvrement des coûts.

Laboratoire de recherche sur les isotopes stables à l'INRE.

Laboratoire de recherche sur les isotopes stables à l'INRE.

Que sont les isotopes stables?

Les isotopes stables des éléments naturels ne sont pas radioactifs. Ce sont des formes naturelles d'un même élément qui n'ont pas le même nombre de neutrons et ont par conséquent des masses atomiques légèrement différentes, par exemple le carbone 12 et le carbone 13.

Une grande partie de l'hydrosphère (l'eau) et de la biosphère (les végétaux et les animaux) est constituée de plusieurs éléments clés, lesquels comprennent l'hydrogène (H), l'oxygène (O), l'azote (N), le carbone (C) et le soufre (S) ainsi que leurs isotopes stables. Bien que les éléments de la table périodique aient de nombreux isotopes, ces cinq « isotopes légers » sont les plus abondants et les plus utiles.

Pourquoi les scientifiques utilisent-ils les isotopes stables légers dans la recherche environnementale?

Les rapports d'isotopes stables (p. ex. le rapport 18O: 16O) peuvent varier ou changer dans la nature sous l'effet de processus chimiques et biologiques; ce phénomène est appelé fractionnement isotopique.

Par exemple, les isotopes stables de l'oxygène des eaux de pluie se « fractionnent » spatialement à travers les continents sous l'effet de facteurs météorologiques bien connus comme la température, et de facteurs comme l'altitude et la distance de la mer. Par conséquent, les scientifiques qui étudient les eaux souterraines et les eaux de surface utilisent les isotopes stables de l'eau (O, H) pour déterminer les sources et l'âge de l'eau et quantifier des processus physiques comme l'évaporation.

Les rapports d'isotopes légers dans les animaux, les roches, l'eau et les végétaux (et même dans les produits de consommation) varient selon leur origine géographique dans le monde. Cela permet souvent aux chercheurs d'utiliser les isotopes comme traceurs d'origine. Les applications sont nombreuses, allant de l'adultération des aliments, de la caractérisation des déversements de pétrole et du suivi des animaux migratoires, à l'identification des sources de contaminants.

Comment les scientifiques mesurent-ils les concentrations d'isotopes stables?

Les chercheurs mesurent les concentrations d'isotopes stables à l'aide d'un spectromètre de masse isotopique. Généralement, les échantillons sont convertis en un gaz simple par une combustion à haute température. Par exemple, toutes les déterminations du rapport 13C: 12C sont faites sur un gaz constitué exclusivement de CO2, et tout échantillon contenant du carbone est brûlé et converti en CO2 pur avant l'analyse spectrométrique de masse.

Documentation complémentaire :

  • Hobson, K. A. et L. I. Wassenaar (ed.). 2008. « Tracking Animal Migration with Stable Isotopes, 2 ». Elsevier, 160 p.
  • Stable Isotope Geochemistry. 1997. J. Hoefs, Springer-Verlag.
  • Principles of Stable Isotope Distribution. 1999. R.E. Criss, Oxford University Press.
  • Isotope Tracers in Catchment Hydrology. 1998 C. Kendall et J. McDonnell, Elsevier.
  • Environmental Isotopes in Hydrogeology. 1997. I. Clark et P. Fritz. Lewis Publisher.

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Installations

Le Laboratoire de recherche sur les isotopes stables en écologie et en hydrologie est équipé de trois spectromètres de masse modernes GV Instruments à collecteurs triples et multiples, à débit continu et à double injecteurs, pour la mesure de rapports isotopiques, et de dispositifs pour la préparation automatisée des échantillons.

Trois appareils d'analyse élémentaire en ligne à haute température sont utilisés pour l'analyse isotopique courante du 13C, du 15N et du 34S après combustion éclair de tous les échantillons de même que pour l'analyse isotopique du 2H et du 18O après pyrolyse éclair. L'analyse isotopique des isotopes stables dans les eaux est réalisée par différentes méthodes, ce qui permet d'avoir une vaste plage d'exactitude, de prix et de délai d'exécution. Parmi ces méthodes, il y a la méthode classique d'équilibration (CO2 et H2 ) utilisant deux injecteurs, les méthodes en ligne d'équilibration (gaz) et la réduction du Cr ou du C. Un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse permet de réaliser l'analyse isotopique du 13C et du 2H moléculaires. Les installations d'extraction de pointe sur paillasse comprennent des conduits sous vide poussé servant à la préparation du MeCl en vue de l'analyse isotopique du 37Cl. Le laboratoire de préparation des échantillons comprend des microbalances ainsi que des installations de pulvérisation, de lyophilisation et d'autres installations de préparation d'échantillons importants.

La gestion de l'AQ/CQ est réalisée grâce à l'utilisation de matériaux de référence primaires et internes certifiés pour isotopes stables et à la mise en ouvre d'un système de gestion de l'information des laboratoires de recherches sur les isotopes stables de l'USGS.

Utilisation du spectromètre de masse isotopique.

Utilisation du spectromètre de masse isotopique.

Méthodes de mesure des isotopes stables élaborées à l'INRE

Koehler, G., L.I. Wassenaar et M.J. Hendry.  2000. « An automated technique for measuring d D and d18 O values of porewater by direct CO­2- and H2- equilibration ». Analytical Chemistry 72(21): 5659-5664.

Lis, G.P., L.I. Wassenaar et M.J. Hendry.  2007.  « High precision laser spectroscopy D/H and 18O/16O measurements of microliter natural water samples ». Analytical Chemistry 80: 287-293.

Venkiteswaran, J., L.I. Wassenaar et S. Schiff.  2007. « Diel dynamics of dissolved oxygen isotopic ratios: primary production, respiration, and gas exchange in aquatic ecosystems ». Oecologia 153(2): 385-398.

Wassenaar, L.I., M.J. Hendry, V.L. Chostner et GP Lis. 2008. « High resolution pore water δ2H and δ18O measurements by H2O(liquid)-H2O(vapor) equilibration laser spectroscopy ».  Environmental Science and Technology (sous presse).

Wassenaar , L.I. et K.A. Hobson. 2000. « Improved method for determining the stable-hydrogen isotopic composition ( d D) of complex organic materials of environmental interest ». Environmental Science and Technology 34: 2354-2360.

Wassenaar, L.I. et K.A. Hobson. 2003. « Comparative equilibration and online technique for determination of non-exchangeable hydrogen of keratins for animal migration studies ». Isotopes in Environmental and Health Studies 39: 1-7.

Wassenaar, L.I. et K.A. Hobson. 2006. «Stable hydrogen isotope heterogeneity in biological tissues: Isotope-Ratio Mass Spectrometry and migratory wildlife sampling strategies ».  Rapid Communications in Mass Spectrometry 20(16): 2505-2510.

Wassenaar, L.I. et G. Koehler. 1999. « An on-line technique for the determination of the 18O and 17O of gaseous and dissolved oxygen ». Anal. Chem. 71(21): 4965-4968.

Wassenaar, L.I. et G. Koehler. 2004. «An on-line technique for the determination of the d37Cl of inorganic and total organic chloride in environmental samples ». Anal. Chem. 76: 6384-6388.

Services

Les renseignements sur les échantillons doivent être soumis la feuille de calcul Excel que nous avons élaborée pour présenter une demande d'analyse isotopique (Pour en obtenir une copie, faire une demande par courriel). La feuille de calcul peut être envoyée sur une disquette sans virus ou par courriel, et une copie papier doit accompagner les échantillons. La feuille de calcul doit être remplie au complet et soumise avant qu'on ne procède aux analyses. Le délai d'exécution varie de quelques semaines à plusieurs mois selon la charge de travail et la configuration des spectromètres.

Préparation des échantillons d'eau pour les analyses isotopiques.

Préparation des échantillons d'eau pour les analyses isotopiques.

Membres du laboratoire

Leonard Wassenaar a obtenu son doctorat en géochimie des isotopes à l'Université de Waterloo en 1991. Il occupe actuellement un poste de chercheur scientifique principal à Environnement Canada et donne également des cours de sciences de la terre en tant que professeur auxiliaire à l'Université de Waterloo et à l'Université de la Saskatchewan.

Keith Hobson a obtenu son doctorat à l'Université de la Saskatchewan en 1992 et s'est spécialisé dans les applications d'isotopes stables à l'écologie aviaire, terrestre et marine. Keith est chercheur scientifique principal à Environnement Canada et professeur auxiliaire de biologie à l'Université de la Saskatchewan.

Geoff Koehler a obtenu son doctorat en géochimie des isotopes stables à l'Université de la Saskatchewan en 1996 et s'est spécialisé dans la spectrométrie de masse du rapport isotopique, l'élaboration de méthodes, la conception d'instruments et l'électronique. Il gère l'exploitation au quotidien du laboratoire d'isotopes stables.

Pour de plus amples renseignements concernant ce laboratoire, communiquer avec :

Dr. Leonard Wassenaar
Institut national de la recherche sur les eaux
Environment Canada
11 boul. Innovation
Saskatoon, (Sask.)
S7N 3H5 Canada
Tél : (306) 975-5747