Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La spectroscopie d'absorption infrarouge (IR), du lointain au proche en passant par le moyen infrarouge, est présentée pour débutant et à visée d'applications analytiques. Quelques aspects physiques de l'interaction lumière-matière sont explicités pour permettre une maîtrise des mesures. Les développements récents mais peu diffusés ont été évités. La spectroscopie IR n'est présentée que sous son aspect actuel le plus courant, dit à transformée de Fourier (FTIR). Les procédures d'échantillonnage sont également détaillées dans cet article.
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Near, mid and far infrared absorption spectroscopy is presented for the beginner with a view toward analytical applications. Several aspects of the physics of the light-matter interaction are elucidated to provide understanding of the measurements. Recent, but not widely known, developments are ignored. Only Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR) , the most currently used technique, is discussed. Sample handling procedures are examined as well.
Auteur(s)
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Bernard HUMBERT : Habilité à diriger des recherches , professeur des Universités - Université de Nantes, IMN Institut des matériaux Jean Rouxel, UMR 6502 CNRS-Univ Nantes
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Jean-Yves MEVELLEC : Docteur, Ingénieur de recherche CNRS - Université de Nantes, IMN Institut des matériaux Jean Rouxel, UMR 6502 CNRS-Univ Nantes
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Jérôme GRAUSEM : Docteur, Ingénieur d'études CNRS - Université de Lorraine, LCPME UMR 7564 CNRS-Univ de Lorraine
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Manuel DOSSOT : Docteur, Maître de Conférences - Université de Lorraine, LCPME UMR 7564 CNRS-Univ de Lorraine
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Cédric CARTERET : Habilité à diriger des recherches, Professeur des Universités - Université de Lorraine, LCPME UMR 7564 CNRS-Univ de Lorraine
INTRODUCTION
Les spectroscopies optiques, en exploitant les interactions entre la matière et la lumière, permettent d'obtenir la composition chimique et de caractériser les propriétés physiques et chimiques d'échantillons. Selon la gamme spectrale utilisée (ou l'énergie des photons utilisés), cette interaction sonde les divers types de niveaux d'énergie de la matière. Dans le domaine des rayons X ou ultraviolets durs, les niveaux électroniques d'électrons de cœur, des électrons proches des noyaux sont excités, tandis que dans le domaine 200-400 nm des ultraviolets usuels, les électrons impliqués dans les liaisons chimiques seront sondés. Dans l'infrarouge, les niveaux vibrationnels sont sondés pour caractériser aussi bien les groupements chimiques constituant l'échantillon que la structure moléculaire ou encore les propriétés physiques d'ordre, de désordre, de stress mécanique, optiques, etc. La nature de l'information obtenue est cependant dépendante de la méthode d'enregistrement du spectre et de l'état physique de l'échantillon (gaz, liquide, solide...).
En pratique, les spectromètres actuels dits à transformée de Fourier (FTIR) possèdent des qualités permettant une large gamme de possibilités d'analyse. L'analyse sera qualitative pour identifier un composé à partir de sa signature spectrale (empreinte complète spectrale) ou établir, en utilisant des évolutions d'une zone restreinte de cette empreinte, des changements fins de structure ou d'interactions moléculaires dépendant des niveaux d'énergie « sondés » par le rayonnement. Outre l'identification, l'analyse sera quantitative permettant le dosage d'une substance, grâce à l'évolution de sa signature spectrale en fonction de la quantité de matière mesurée.
Cet article est spécifiquement dédié à la spectroscopie d'absorption infrarouge ou spectroscopie d'absorption de vibration. Après un bref rappel des notions générales sur l'interaction matière-rayonnement, une seconde partie présente les principaux modes d'enregistrement d'un spectre infrarouge, en comparant leurs avantages et leurs inconvénients. Dans une troisième partie, les méthodes actuellement facilement accessibles d'enregistrement d'un spectre selon que l'échantillon étudié est solide (massif, film ou pulvérulent), liquide ou gazeux, seront détaillées pour leurs applications courantes. La quatrième partie conclura sur quelques méthodes d'exploitation analytique qualitative des données spectrales infrarouges ou de prédiction quantitative d'une variable, telle qu'évidemment la concentration, mais aussi des grandeurs physico-chimiques comme l'acidité, l'hygrométrie, le degré d'organisation d'un assemblage, la pression intrinsèque subie par un échantillon, etc. Ce type de traitement informatique est intégré à un grand nombre de logiciels d'acquisition et est de plus en plus répandu dans l'industrie pour des utilisateurs sans préformation particulière.
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KEYWORDS
spectroscopy | spectrometry | absorption | infrared | vibration | molecular analysis
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Conclusion4. Exploitation des données
Comme signalé dès le début de cet article, la spectroscopie IR permet soit des analyses qualitatives soit des analyses quantitatives. Les logiciels commerciaux sont de plus en plus performants pour aider, dans son analyse, l'opérateur. Grâce aux qualités techniques croissantes offertes par les dispositifs instrumentaux, l'utilisateur de spectroscopie IR doit faire face à une masse de données spectrales en croissance exponentielle. De plus, la qualité spectrale, au moins en termes de rapport signal sur bruit et de précision, jamais atteinte auparavant, parfois dans des milieux (les solutions aqueuses en ont été un exemple pertinent) inaccessibles il n'y a qu'une dizaine d'années, augmente également le nombre de données. Cela a permis à certaines applications analytiques de la spectroscopie MIR et PIR de devenir des méthodes de prédiction de valeur d'une variable quantitative ou d'estimations qualitatives (structurales, de paramètres physiques, de classification de produits, etc.). Un traitement informatique approprié permettra de dégager efficacement ces informations.
4.1 Informations qualitatives pour l'identification d'une propriété chimique ou physique
Dans une procédure d'analyse, une première exploitation du spectre consiste à identifier les groupes fonctionnels responsables des absorptions observées à l'aide de la notion de fréquences de groupe. Dans cette phase d'identification, le logiciel pourra :
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aider par comparaison graphique du spectre et par utilisation de tables incluses dans les logiciels d'exploitation (tables exposées au paragraphe 2 ou dans des bases de données commerciales) ;
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aider l'opérateur dans sa phase d'apprentissage, à l'aide de « tutoriels » ;
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ou même, dans une certaine mesure, effectuer l'analyse spectrale.
Plus qu'identifier un groupement, l'analyse peut avoir pour but d'identifier une molécule, un solide, une hétérogénéité...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COTTON (F.A.) - Application de la théorie des groupes à la chimie. - Dunod (1968). – Chemical applications of group theory. Wiley (1963).
-
(2) - POILBLANC (R.), CRASNIER (F.) - Spectroscopies infrarouge et Raman. - EDP Sciences (2006).
-
(3) - BOUSQUET (P.) - Spectroscopie instrumentale. - Dunod Université (1969).
-
(4) - GRIFFITHS (P.), HASETH (J.) - Fourier Transform Infrared Spectrometry. - Wiley (2007).
-
(5) - HOLLAS (J.M.) - Spectroscopie. - Dunod (1998).
-
(6) - MAZET (V.), CARTERET (C.), BRIE (D.), IDIER (J.), HUMBERT (B.) - Background removal from spectra by designing and minimising a non-quadratic cost function. - Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 6 (2), 121-133 (2005).
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