traceurs isotopiques - chimie.

traceurs isotopiques - chimie. 1 PRÉSENTATION traceurs isotopiques, isotopes utilisés pour observer le cheminement de différentes substances au cours de processus chimiques, biologiques ou physiques. Le terme traceur s'applique principalement aux isotopes radioactifs, les plus faciles à manipuler dans ce cadre. Cependant, on peut utiliser certains isotopes stables -- c'est-à-dire non radioactifs --, qui permettent également de marquer les molécules sans nuire au milieu dans lequel on les introduit. 2 TECHNIQUE DU MARQUAGE 2.1 Choix des traceurs La technique du marquage emploie des isotopes radioactifs ou des isotopes stables. Le marquage par isotopes stables implique de mesurer au spectromètre de masse les infimes variations de certains rapports isotopiques par rapport à la normale. Par exemple, dans le cas du carbone-13 (qui ne constitue que 1 p. 100 du carbone naturel), une variation de 0,001 p. 100 de son abondance est facilement détectée. En d'autres termes, un traceur constitué de carbone-13 pourrait être dilué de 100 000 à 1 million de fois et être encore décelable. On détecte plus facilement les isotopes radioactifs. Ils sont décelés par des détecteurs de particules, à mesure qu'ils se désintègrent dans l'échantillon. Ainsi, le carbone-14 radioactif peut être détecté à seulement 25 désintégrations par minute et par gramme. La proportion minimale de carbone-14 détectable dans un échantillon est donc d'environ 0,04 partie par milliard, ce qui permet de marquer et de suivre un produit jusqu'à ce qu'il soit dilué plus de 25 milliards de fois. 2.2 Préparation Les traceurs isotopiques sont obtenus par des procédés de séparation et de purification complexes. Le spectrographe de masse, qui sépare les isotopes de différentes masses lors de leur passage dans un champ électromagnétique, permet de purifier les éléments et d'en recueillir séparément les isotopes. Certains isotopes, comme ceux de l'uranium, peuvent également être isolés par diffusion gazeuse (séparation de l'uranium-235, représentant 0,7 p. 100 de l'uranium naturel, de l'isotope 238, présent, lui, à 99,3 p. 100), ou encore par distillation, comme dans le cas de l'hydrogène et de ces deux isotopes, le deutérium et le tritium. D'autres procédés de séparation mettent en jeu des séquences répétitives de réactions, où les isotopes lourds sont progressivement séparés des isotopes légers. De telles réactions sont à la base de la production mondiale de carbone-13 et d'azote-15. Les traceurs radioactifs, quant à eux, sont généralement préparés par bombardement neutronique de l'élément stable, qui capture ou relâche des neutrons pour se transformer. Par exemple, pour préparer le carbone-14, on bombarde l'azote-15 par des neutrons, de façon à éjecter un proton du noyau d'azote, qui se transforme alors en carbone-14. Les isotopes instables se désintègrent à un rythme régulier, appelé période radioactive, en émettant des particules bêta (particules ?) et d'autres rayonnements caractéristiques décelables. On peut citer quelques autres traceurs, tels que le béryllium, le sodium, le fer, le cobalt, le krypton et l'or, et ceux qui sont spécifiques à la médecine, comme l'iode, le xénon, le technétium et le thallium. 2.3 Détection Dans le cas de traceurs radioactifs, c'est par la mesure de la radioactivité que l'on peut suivre l'évolution des réactions dans lesquelles ils sont impliqués. On effectue ces mesures à l'aide d'un compteur de scintillations, d'un électroscope ou d'un compteur Geiger-Müller. Dans le cas de traceurs stables, les mesures portent sur les proportions isotopiques. On utilise pour cela un spectromètre de masse, qui permet de déterminer les quantités relatives des différents isotopes de l'échantillon de matière étudié. 3 APPLICATIONS On se sert des traceurs isotopiques pour suivre le mouvement de substances chimiques à grande échelle, ainsi que pour explorer les changements au niveau atomique. Ils ont donc d'importantes applications dans la recherche, en médecine, en agriculture et en chimie, ainsi que dans de nombreux autres domaines industriels. 3.1 Marquage des produits On peut étudier les déplacements de grandes quantités de solides ou de fluides, en suivant le cheminement de traceurs colorants. Ainsi, l'étude du trajet de l'eau depuis sa source jusqu'au fleuve où elle se jette est une application typique de ce genre de manipulation. Cependant, l'utilisation de traceurs radioactifs offre, en plus d'une grande facilité d'emploi, l'avantage d'une plus grande vitesse d'action alliée à une grande fiabilité. On les utilise notamment pour marquer le plan de contact entre deux lots de pétrole acheminés par un oléoduc : un matériau radioactif émettant des rayons gamma est injecté à la jonction des deux lots, la détection a lieu lors du passage par des points de vérification. L'interface est ainsi suivie tout au long de son parcours. Grâce à ce marquage, les détecteurs peuvent actionner des valves pour séparer à l'arrivée les deux lots de pétrole de qualités distinctes. Les traceurs sont également utilisés dans l'industrie pour détecter, à l'échelle microscopique, les points d'usure et de rupture de pièces mécaniques essentielles. Par exemple, l'usure des pistons et des cylindres est déterminée par la quantité de dépôts d'acier dans l'huile des moteurs. Cela est difficile à visualiser par les méthodes classiques ; de plus, elles sont coûteuses et de mise en oeuvre délicate. En revanche, la technique de marquage offre une élégante solution : les pistons sont tout d'abord rendus radioactifs par bombardement neutronique dans un réacteur nucléaire, puis le moteur est mis au banc d'essai avec le lubrifiant à tester. La matière radioactive des pistons est immédiatement détectable lorsqu'elle se dépose dans l'huile et sur les parois du cylindre. La quantité de matière radioactive mesurée permet d'évaluer le degré de dégradation du moteur et la qualité de l'huile utilisée. Les traceurs radioactifs peuvent également être utilisés dans l'industrie textile pour contrôler la qualité des colorants. Les presses couleurs sont en effet constituées de plusieurs cylindres, chacun correspondant à un bain de couleur particulier. Dans le déroulement de la chaîne, le tissu peut lors de ses déplacements mélanger de la couleur d'un bac à un autre. Pour pallier cet inconvénient, les bains doivent être fréquemment renouvelés, afin de conserver la qualité d'impression du tissu. C'est grâce aux traceurs radioactifs que l'on fait le suivi de la qualité de chaque bain. Des phosphates radioactifs sont ajoutés à une couleur en amont de la chaîne : lorsqu'ils apparaissent dans un bain en aval en concentration critique, le bain est remplacé. 3.2 Marquage des molécules À l'échelle macroscopique, le marquage de molécules particulières permet de conduire d'importantes recherches en chimie et en médecine. Les traceurs isotopiques permettent notamment de distinguer, dans un composé chimique, la provenance de certaines molécules. Les traceurs sont utilisés entre autres en recherche agricole pour mesurer l'absorption de certains nutriments par les plantes et étudier les circuits d'assimilation ou d'échanges, tels que la photosynthèse. Les parcours de certaines toxines dans les écosystèmes peuvent également être suivis par le même procédé. En médecine, le marquage permet de contrôler les fonctions vitales des organes et des tissus, en évaluant leur consommation de minéraux et de vitamines. On peut également suivre la composition changeante du sang, la fixation du calcium sur les os ou la vitesse de synthèse de certaines protéines. 3.3 Recherche chimique En chimie organique, les traceurs servent à étudier un grand nombre de réactions de migration et de réarrangement d'atomes ou de groupes d'atomes. Grâce au marquage, on a pu déterminer les mécanismes de certaines réactions. Par exemple, on a découvert l'origine du pigment de l'hémoglobine, en suivant le cheminement des atomes de carbone, préalablement marqués, présents dans les molécules du composé. En chimie minérale, on a étudié des systèmes qui ne sont apparemment pas le siège de réactions chimiques, mais dans lesquels s'effectue en fait un échange permanent de matière. Le marquage a permis de montrer que de nombreux réarrangements ont lieu entre des formes chimiques voisines, comme entre les ions cobalt (II) et cobalt (III), deux états d'oxydation d'un même élément. De tels échanges sont appelés réactions de double décomposition. Voir aussi Datation, méthodes de ; Isotopes. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.