Les paramètres servant à décrire et à mesurer les phénomènes de répartition isotopique sont définis comme suit :

Ces deux paramètres (R et A) sont variables d'un composé à l'autre. Cependant, leur valeur peut être difficile à manier, car on observe de faibles variations sur de faibles quantités. On préfère alors exprimer cette même réalité physique à l'aide d'un troisième paramètre, quant à lui relatif, appelé déviation isotopique δ, définie comme :

δ = 1000x(R_ech - R_ref)/R_ref (valeur en ‰)

où R_ech et R_ref  sont respectivement les rapports isotopiques de l'échantillon à mesurer et de l'échantillon de référence.

Cette grandeur permet, en utilisant des références internationales, d'apprécier de faibles différences de teneurs isotopiques, mais aussi de réaliser une intercalibration entre appareils de mesure et entre laboratoires. Le tableau 2 rassemble les références internationales utilisées en analyse isotopique pour les principaux éléments.

* : abondance isotopique en ppm

** : rapport isotopique en ppm

Tableau 2. Références internationales utilisées pour l'analyse isotopique

L'écart de masse entre les isotopes confère aux atomes et aux molécules des propriétés physiques et chimiques sensiblement différentes. On peut distinguer les effets isotopiques cinétiques et thermodynamiques. Les effets isotopiques cinétiques sont liés à une différence de vitesse au cours de réactions chimiques ou de phénomènes de transport. L'isotope lourd a généralement tendance à réagir plus lentement que l'isotope léger. Les effets isotopiques thermodynamiques sont en relation avec les constantes d'équilibre au cours d'équilibres chimiques ou d'équilibres de phase. Ils traduisent les différences de constante d'équilibre des isotopomères contenant des isotopes lourds de ceux contenant des isotopes légers.

On peut définir l'effet isotopique EI pour décrire le changement de composition isotopique, observée au cours d'une transformation d'un substrat S (composé initial) en un produit P (composé final). On exprime EI = R_s/R_p, (où R_s et R_p sont respectivement les rapports isotopiques du substrat et du produit) quand :

Pour un effet cinétique dominant, EI aura tendance à être supérieur à 1, car l'isotope lourd « restera » principalement sur le substrat (il réagit moins vite). Lorsque le processus global de transformation de l'état initial à l'état final nécessite plusieurs étapes successives, caractérisées par un fractionnement isotopique propre, le fractionnement global sera essentiellement produit par l'étape limitante.

Dans le cas d'un effet thermodynamique, si EI est inférieur à 1, le produit final sera plus riche en isotope lourd que le produit initial. Ce phénomène est, par exemple, observé pour l'équilibre entre CO₂ et HCO₃^-, où le ¹³C (isotope lourd du carbone) se concentre dans HCO₃^- car celui-ci est plus complexe que CO₂ (EI = 0,991). À l'opposé, si EI  est supérieur à 1, c'est le substrat qui s'enrichit en isotope lourd, comme on a pu le mesurer pour la dissolution de CO₂ dans l'eau (EI = 1,011).

Par conséquent, la détermination des rapports isotopiques des différents métabolites du monde végétal permet d'explorer les mécanismes qui produisent les effets isotopiques. Par ailleurs, des filiations ont pu être établies entre le type végétal, l'origine géo-climatique et le processus industriel qui ont conduit à la production des métabolites purs, concentrés ou en mélange.

Il y a deux principales voies métaboliques d'assimilation du gaz carbonique atmosphérique par les végétaux. Par ce processus la plante fabrique, entre autres, du glucose, molécule à six atomes de carbone. Cette synthèse peut se dérouler selon plusieurs mécanismes caractérisés par le nombre d'atomes de carbone de l'intermédiaire métabolique. Ainsi, on est amené à différencier la voie passant par l'intermédiaire 3-phosphoglycérate à 3 atomes de carbone, notée C3, de celle faisant intervenir un intermédiaire malate à 4 atomes de carbone et qui sera notée C4. On parle alors de plante en C3 (la plupart) ou de plante en C4 (comme la canne à sucre ou le maïs). Pour être complet, il faut aussi évoquer un 3ème métabolisme : CAM (Crassulacean Acid Metabolism) qui est un mécanisme intermédiaire entre le C3 et le C4 et où la plante retient l'une ou l'autre des voies C3 et C4 en fonction des conditions d'environnement, dont l'hygrométrie. On peut citer par exemple l'ananas et le vanillier.

L'assimilation du CO₂ se fait par l'ouverture des stomates au niveau des feuilles. Dans des conditions climatiques particulières la plante s'adapte en trouvant un équilibre entre laisser les stomates ouverts pour faire entrer le CO₂ (qui est la matière première pour la synthèse du glucose) et les fermer pour éviter l'évaporation de l'eau, en cas de stress hydrique. Les voies métaboliques en C3 et C4 ne provoquent pas le même fractionnement isotopique du carbone au cours de l'assimilation du CO₂ atmosphérique. Dans un modèle simple, on ne tient compte que de deux étapes principales de discrimination :

A l'écart d'activité industrielle, le gaz carbonique atmosphérique montre une déviation isotopique moyenne constante en ¹³C sur toute la surface du globe, δ¹³C = -8 ‰. Or, le ratio entre le phénomène de diffusion (qui a un effet d'appauvrissement de l'ordre de 4,5 ‰) et la carboxylation (qui appauvrit de 27 ‰ environ) conduit à une réduction de la teneur en ¹³C des plantes de type C3 d'environ -20 ‰, par rapport au CO₂ atmosphérique.

Pour les plantes en C4, la discrimination vis à vis du ¹³C est plus faible, elle n'est que de l'ordre de -3 à -4 ‰. Ceci est dû au fait que dans les plantes en C4 le CO₂ est d'abord hydraté dans la solution du cytoplasme des cellules. Un équilibre s'établit alors entre le CO₂ et HCO₃^- et comme nous l'avons mentionné, HCO₃^- est alors enrichi en ¹³C (de l'ordre de 9 ‰). De plus la carboxylation, pour ces plantes, n'a pas un effet isotopique aussi fort que dans les plantes en C3.

En résumé, les plantes à métabolisme photosynthétique de type C3 (comme la vigne ou la betterave à sucre) possèdent une déviation δ¹³C de l'ordre de -28 ‰ en moyenne. Pour les plantes en C4 (comme la maïs ou la canne à sucre), cette valeur est de -14 ‰ environ. Il est à noter que la combustion de matières fossiles (gaz naturel, charbon, pétrole) produit du CO₂ qui présente une déviation isotopique de l'ordre de -30 ‰, valeur caractéristique du CO₂ industriel. La figure 2 montre les variations en δ¹³C de diverses substances.

Note : l'éthanol est considéré comme naturel lorsqu'il est produit par la fermentation de sucres.

Pour des raisons pratiques l'isotope lourd ¹⁸O a été largement plus étudié que l'autre isotope lourd de l'oxygène ¹⁷O. Nous nous limiterons donc au rapport ¹⁸O/¹⁶O. Il a été montré une forte corrélation entre le rapport ²H/¹H et ¹⁸O/¹⁶O de l'eau de pluie et issue de plantes. Il existe donc une relation entre la déviation δ¹⁸C et les données géographiques (altitude et latitude) et climatiques (température et pluviométrie).

Grâce à des progrès instrumentaux récents, la mesure de la teneur en ¹⁸O de la matière organique est devenue une analyse de routine. De plus en plus de données seront alors cumulées, permettant une meilleure compréhension du fractionnement isotopique de l'oxygène dans les plantes.