Présentation
RÉSUMÉ
Technique très présente dans les laboratoires et l’industrie, la spectrophotométrie d’absorption dans l’ultraviolet et le visible (UV-VIS) a bénéficié de nombreuses améliorations technologiques ces dernières années. Les principes, ainsi que l’instrumentation (organisation des composants, sources de rayonnement, cellules d’absorption, etc) et les paramètres instrumentaux sont tout d’abord introduits. Ensuite, la vérification des performances, et la validation des données sont passées en revue : exactitudes, résolution spectrale, bruit et rectitude de la ligne de base. Enfin, la conduite d’une analyse est proposée, puis les domaines d’application possibles terminent cet article.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Dominique DI BENEDETTO : Professeur honoraire à l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
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Philippe BREUIL : Ingénieur de recherches à l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
INTRODUCTION
La spectrophotométrie d’absorption dans l’ultraviolet et le visible (UV-VIS) est une technique d’un âge respectable encore très utilisée dans les laboratoires et dans l’industrie. Elle a bénéficié des progrès technologiques récents – miniaturisation, fibres optiques – et des moyens de calcul apportés par l’outil informatique. De plus, c’est une technique bien adaptée aux moyens de contrôle et de validation qui permettent de produire des données de qualité reconnue et quantifiée.
La terminologie utilisée dans le domaine de la spectrophotométrie d’absorption moléculaire n’est pas encore normalisée. On peut se reporter à la norme AFNOR NF X 02-206 et à l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry ) pour la terminologie en anglais, dont le site est donné dans . Les anglo-saxons utilisent plutôt le terme « spectroscopy ».
Si cette technique est encore largement utilisée, c’est qu’elle présente des qualités qui seront développées dans ce dossier, dont on peut citer les plus évidentes :
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technique d’un coût raisonnable, de l’ordre de 10 000 à 30 000 € ;
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vérification et validation des données bien documentées ;
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travail entre deux « bornes » : 0 et 100 % de transmission, facilement vérifiables ;
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de nombreuses espèces à l’état gazeux, liquide ou solide absorbent dans l’UV-VIS, soit directement, soit après développement d’espèces absorbantes ;
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on dispose d’une abondante bibliographie et de notes d’applications dans de nombreux domaines ;
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on peut obtenir de bonnes sensibilités, soit par préparation des échantillons, soit en modifiant des paramètres physiques comme la longueur du trajet optique par exemple ;
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les temps de réponse peuvent être très courts, même pour l’enregistrement de spectres complets ;
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on trouve sur le marché des composants miniatures, des fibres optiques et des cellules couplées qui permettent de faire des mesures déportées, ce qui permet d’adapter facilement la technique à des problèmes particuliers ;
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les méthodes modernes de traitement des données permettent de résoudre des problèmes difficiles d’analyse multi-composants ou de suppression des interférences ;
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on peut coupler la spectrométrie UV-VIS avec d’autres techniques comme la chromatographie.
Ces caractéristiques seront développées dans ce dossier, ainsi que les limitations qui sont principalement que :
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la dynamique (gamme de mesures) est réduite par la loi logarithmique et la lumière parasite ; il existe, de plus, les phénomènes de diffusion et de fluorescence ;
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les interférences spectrales ne sont pas toujours maîtrisées, de même que les effets physico-chimiques comme le pH, les effets du solvant, la température… ;
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c’est une méthode d’analyse essentiellement quantitative, surtout lorsque plusieurs espèces absorbent, ce qui rend difficile la reconnaissance de la signature spectrale ;
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les logiciels ont tendance à présenter des résultats qui donnent confiance, mais attention à l’effet « boîte noire », surtout quand la composition des échantillons varie : les méthodes d’analyse multivariable ne permettent plus de tracer la bonne vieille loi de Beer-Lambert. Il faudra donc vérifier les données fournies avec des échantillons de caractéristiques connues, et dans tout le domaine de concentrations que l’on risque de trouver dans les échantillons inconnus.
VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1987 par Bernard MALINGREY
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Principes
1.1 Absorption du rayonnement dans le domaine UV-VIS
Le principe de la spectrométrie d’absorption dans l’ultraviolet et le visible repose sur l’ absorption du rayonnement par les molécules dans le domaine allant de 190 à 800 nm, ce qui correspond à l’ultraviolet (190-400 nm) et au visible (400-800 nm). Certains spectrophotomètres couvrent aussi le proche infrarouge jusqu’à 2 500 nm par exemple. Ce domaine est illustré figure 1.
Dans cette application, on peut considérer le rayonnement UV-VIS comme une onde électromagnétique qui transporte une énergie E liée à sa fréquence ν par la relation :
avec :
- h :
- constante de Planck (h = 6,63 · 10 –34 J · s)
- c :
- vitesse de la lumière dans le milieu où se propage l’onde ( c = 3 · 108 m/s dans le vide)
- λ :
- longueur d’onde du rayonnement, exprimée habituellement en nanomètres (nm).
On remarque que le domaine UV-VIS n’occupe qu’une faible partie du domaine d’existence des rayonnements, allant des rayons cosmiques aux ondes radios. Dans l’UV-VIS, le domaine de 190-800 nm correspond à des fréquences allant de 1,6 · 10 15 Hz à 3,8 · 1014 Hz, et des énergies de l’ordre de quelques électrons-volts (1 eV correspond à une longueur d’onde de 1 230 nm environ, donc l’UV-VIS de 200 à 800 nm correspond à des énergies de 6,5 à 1,5 eV environ.) Ces énergies correspondent aux énergies de transition électronique des molécules : à température ambiante, la plupart des molécules sont dans leur état électronique et leur état de vibration fondamental, plusieurs états de rotation pouvant être occupés conformément à la répartition de Boltzmann. Ces molécules vont donc pouvoir absorber des photons UV-VIS et changer leurs états énergétiques électroniques, de vibration...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOUCHAREINE (P.) - Spectrométrie Optique - . Techniques de l’Ingénieur. [R 6 310] (1994).
-
(2) - The diode array advantage in UV/VISIBLE spectroscopy - . Document HP (Agilent) No 12-5954-8912 (1988) http://www.chem.agilent.com/scripts/
-
(3) - MMS Spectral Sensors - . Publication Zeiss No 79-802-e (1995) http://www.zeiss.de/spectral
-
(4) - Guide pour l’expression des incertitudes de mesure - . NF ENV 13005, classement X07-020 (1999).
-
(5) - Quantifying Uncertainties in Analytical Measurement - . EURACHEM/CITAC Guide GC4 2nd ed (2000). http://www.measurementuncertainly.org/mu/QUAM200-1.pdf
-
(6) - Fundamentals of UV-visible Spectroscopy - . Document HP (Agilent) No 12-5967-6357 E. http://www.chem.agilent.com/scripts/
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...
ANNEXES
1.1 Association française de normalisation AFNOR :
• Guide pour l’expression des incertitudes de mesure. NF ENV 13005 (1999).
• Spectrophotométrie d’absorption moléculaire – Vocabulaire et généralités. T01-030 (Décembre 1982).
• La chimie analytique – Tome 1 : analyse, normes fondamentales – Tome 2 : échantillonnage, méthodes générales d’analyse et réactifs, ISBN : 2-12-172911 (Janvier 2001).
• L’ AFNOR a normalisé des méthodes d’analyse par spectrophotométrie dans différents domaines avec la classification A06–***.
D’autres guides sont disponibles sur le site du LNE (Laboratoire National de métrologie et d’essais) : http://www.Ine.fr.
L’IUPAC ( http://www.iupac.org/) publie les règles de nomenclature et de vocabulaire de la chimie.
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