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Les isotopes stables : utilisation de l'archéologie à l'industrie

Mercredi 06 Décembre 2023

On savait que la datation carbone 14 ou radiocarbone était utilisée pour dater des artéfacts archéologiques, mais également pour quantifier la part biogénique des produits industriels biosourcés, tels que les biocarburants, les biopolymères, les peintures, les détergents, les cosmétiques… 

Les isotopes stables : utilisation de l'archéologie à l'industrie

Et bien il en est de même de l'analyse des rapports isotopiques du carbone, de l’azote, de l'oxygène et de l'hydrogène (δ13C, δ15N, δ18O et δ2H). Leur analyse renseignera sur les régimes alimentaires des populations anciennes et sur l'origine géographique ou botanique des produits agroalimentaires.

L’analyse des isotopes stables avec l’IRMS

La technique dédiée à l'étude des isotopes stables est l'IRMS, spectrométrie de masse à rapport isotopique. Nous mesurons les rapports entre différents isotopes stables comme 13C/12C, 15N/14N, 2H/1H et 18O/16O. Les mesures sont comparées à des références internationales, considérées comme des "points zéro" : pour le carbone, c'est la Belemnite de Peedee normalisée de Vienne (VPDB), pour l'azote c'est l'air, pour l'hydrogène et l'oxygène c'est l'eau océanique moyenne normalisée de Vienne (VSMOW). Les laboratoires CIRAM utilisent un analyseur élémentaire (EA) vario ISOTOPE select et un IRMS Isoprime precisION de chez ELEMENTAR. 

Les distorsions dans les rapports isotopiques des végétaux 

Ce sont les différents types de photosynthèse qui sont à l'origine des distorsions dans les rapports isotopiques des végétaux. Par exemple, les arbres ligneux, l'orge, le riz, les haricots (plantes en C3) présentent un rapport isotopique du carbone d13C inférieure à -20 ‰, alors que le maïs, le sorgho, la canne à sucre (plantes en C4) ont un d13C entre -10 et -20 ‰. C'est la présence d'azote dans les protéines qui renseignera sur leur origine : terrestre ou marine. En couplant l'étude des isotopes du carbone et de l'azote, on pourra définir le régime alimentaire d’un individu ou d’un animal : carnivore, herbivore ou omnivore ; et l'origine de son alimentation : terrestre ou marine.

Les applications industrielles de l’analyse des isotopes stables

Dans l'industrie, l'analyse des isotopes stables est utilisée dans l'authentification des produits en général, et en particulier afin de vérifier une provenance, d'identifier une adultération ou définir la matière première d'origine pour fabriquer un biocarburant par exemple. 

Les isotopes stables du carbone seront utilisés pour identifier l'adultération du miel avec du sirop de fructose issu du maïs. Le maïs, plante en C4, a un d13C compris entre -20 et -10‰, quand le miel authentique à un δ13C inférieur à -23,5 ‰. Une mesure de d13C supérieure à -21‰ correspondra à une adultération. Les rapports isotopiques du carbone permettront par ailleurs d'identifier un "vrai" vinaigre de cidre avec un δ13C vers -25‰, quand un vinaigre de cidre adultéré avec de l'acide acétique biosynthétique aura un δ13C vers -10‰.

Une adultération d'un jus de fruit ou d'un vin sera décelée grâce à l'étude des isotopes stables de l'oxygène. La valeur de δ18O du produit adultéré sera négative, alors que celle des produits purs sera positive.

Les isotopes stables de l'hydrogène seront utilisés pour différencier deux plantes en C3 : l'orange et la betterave par exemple. Un jus d'orange adultéré avec du sucre de betterave aura un δ2H vers -50‰, quand le jus d'orange authentique aura un δ2H entre -40 et -13‰.

L'analyse des isotopes stables est une source très importante d'informations sur les habitudes alimentaires anciennes, les origines botaniques ou pour l'authentification des matières premières. Mais il s'agit uniquement de techniques qualitatives. Dans la plupart des cas, il sera indispensable de coupler ces études avec la datation carbone 14 ou l'analyse au radiocarbone, afin d'obtenir des informations chronologiques ou quantifier l'adultération.

 

CIRAM, laboratoire d'analyse isotopique et de datation carbone 14 depuis 2005, vous accompagne pour répondre à vos problématiques archéologiques et industrielles.