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)
-
Bernard HUMBERT : Habilité à diriger des recherches , professeur des Universités - Université de Nantes, IMN Institut des matériaux Jean Rouxel, UMR 6502 CNRS-Univ Nantes
-
Jean-Yves MEVELLEC : Docteur, Ingénieur de recherche CNRS - Université de Nantes, IMN Institut des matériaux Jean Rouxel, UMR 6502 CNRS-Univ Nantes
-
Jérôme GRAUSEM : Docteur, Ingénieur d'études CNRS - Université de Lorraine, LCPME UMR 7564 CNRS-Univ de Lorraine
-
Manuel DOSSOT : Docteur, Maître de Conférences - Université de Lorraine, LCPME UMR 7564 CNRS-Univ de Lorraine
-
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
DOI (Digital Object Identifier)
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Protocoles expérimentaux d'obtention du spectre IR2. Spectromètres, du lointain au proche infrarouge
En 1900, Planck modélisa le rayonnement émis d'un corps chauffé comme provenant des oscillations des électrons constituant le corps. Ces petites charges oscillantes constituaient des émetteurs de radiations comme des petites antennes, dont les fréquences émises, IR, visibles et UV étaient plus grandes que les ondes radio du fait du confinement des électrons autour des atomes. Les valeurs des énergies possibles de ces petits oscillateurs sont discrètes et proportionnelles à un multiple entier de la fréquence de rayonnement :
avec :
- h :
- (J · s) constante de proportionnalité appelée « constante de Planck »,
- m :
- entier.
Le calcul de la densité de rayonnement du corps noir dans cette hypothèse conduit au résultat suivant :
( 14 )
avec :
- kB :
- constante de Boltzmann kB = 1,38 × 10–23 J/K,
- T :
- (K) température du corps,
- h :
- constante de Planck : h = 6,626 × 10–34 J · s.
Le terme exponentiel au dénominateur de la fraction conduit à la condition limite
.
Pour notre propos, ici nous allons simplement utiliser cette loi pour comprendre qualitativement les fonctionnements de source infrarouge. Remarquons d'abord qu'en pratique, une source moyen infrarouge est obtenue à 1 500 K.
2.1 Sources et détecteurs de rayonnement infrarouge
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Spectromètres, du lointain au proche infrarouge
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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