Qu’est-ce qu’un spectromètre ?
Le spectromètre est un terme générique désignant un analyseur qui permet d’examiner la composition et les propriétés d’une substance en mesurant la lumière émise ou absorbée par celle-ci.
L’équipement se compose principalement d’une source lumineuse, d’un spectromètre, d’une section d’échantillonnage et d’un détecteur. Il existe différents types d’analyseurs spectrométriques, en fonction du type de source lumineuse utilisée et du mécanisme de l’appareil.
Il s’agit par exemple des spectrophotomètres UV-Vis (UV-Vis), des spectrophotomètres IR (IR), des spectromètres d’émission atomique à plasma inductif (ICP-AES), des spectromètres d’absorption atomique (AAS), des analyseurs de fluorescence des rayons X (XRF) et des spectromètres photoélectroniques à rayons X (XPS). Chaque instrument peut analyser des éléments différents et doit être utilisé à des fins différentes.
Utilisations des spectromètres
Les spectromètres sont utilisés dans de nombreux domaines. Quelques utilisations typiques sont énumérées ci-dessous. Il ne s’agit que de quelques exemples, les spectromètres étant utilisés dans un grand nombre de domaines.
1. La chimie et biochimie
Dans ces domaines, le rôle des spectromètres comprennent le contrôle de la qualité, comme la vérification de la structure moléculaire des produits chimiques synthétisés, des taux de réaction et de la teneur en impuretés, l’analyse structurelle des protéines et de l’ADN et la mesure des réactions enzymatiques.
2. Les sciences de l’environnement
Ils comprennent ici la détection et l’analyse des polluants dans l’eau et dans l’air.
3. Les sciences médicales et pharmaceutiques
Dans ces domaines, ils comprennent la mesure de la masse des médicaments, la mesure des composants du sang et le diagnostic des maladies.
4. L’industrie alimentaire
Le spectromètre y effectuent une analyse quantitative des nutriments et des additifs dans les aliments, un contrôle de la qualité, une analyse de la composition des matériaux, une mesure des propriétés de surface, une recherche sur les réactions d’oxydation, etc.
Principe des spectromètres
Les spectromètres sont des appareils qui irradient un échantillon avec une certaine forme de lumière et analysent la lumière absorbée, réfléchie ou émise par l’échantillon. Leur but étant d’identifier et de quantifier les substances qu’il contient. Les résultats de l’analyse sont présentés sous la forme d’un diagramme de forme d’onde appelé spectre.
L’analyse de ces données spectrales permet, par exemple, d’effectuer une analyse qualitative et quantitative des échantillons, d’évaluer les structures moléculaires et les propriétés des matériaux. Le principe de mesure diffère d’un instrument à l’autre. Les principes de mesure des six instruments représentatifs mentionnés ci-dessus sont brièvement décrits ci-dessous.
1. Le spectrophotomètre ultraviolet-visible
Lorsqu’un échantillon est irradié par une lumière de longueur d’onde UV/visible, la lumière est absorbée ou réfléchie par les substances contenues dans l’échantillon municipal. La structure moléculaire des composants contenus dans l’échantillon peut alors être déterminée et quantifiée. Pour ce faire, il faut mesurer l’intensité de la lumière absorbée ou transmise à chaque longueur d’onde de la lumière incidente.
2. Le spectrophotomètre infrarouge
Lorsqu’un échantillon est irradié par une lumière infrarouge, il absorbe ou réfléchit la lumière infrarouge. Le rayonnement infrarouge absorbé ou réfléchi dépend du type de composé présent dans l’échantillon et de l’état de la liaison. Ce rayonnement est alors divisé en différentes longueurs d’onde par le spectromètre. L’intensité de la lumière est ensuite mesurée par le détecteur pour déterminer le type de composé dans l’échantillon et l’état de la liaison.
3. Les spectromètres d’émission à plasma à couplage inductif
Un échantillon est introduit dans une flamme appelée “plasma”, qui est générée par la combustion d’une substance à haute température. Ainsi, l’émission de lumière peut être observée pour déterminer la composition de la substance. Lorsqu’un échantillon est placé dans le plasma, il est décomposé en atomes et en ions.
Au cours de ce processus, les atomes et les ions du plasma absorbent de l’énergie et émettent de la lumière lorsqu’ils la libèrent. Cette émission de lumière se compose de lumière de différentes longueurs d’onde. De ce fait, la mesure de l’intensité et de la longueur d’onde de la lumière permet de déterminer les composants de l’échantillon.
4. Le spectromètre d’absorption atomique
La lumière émise par une source lumineuse spéciale est projetée sur l’échantillon. Les éléments absorbent la lumière à des longueurs d’onde qui leur sont propres. En mesurant l’intensité de cette lumière absorbée à chaque longueur d’onde, il est possible de déterminer la quantité de l’élément dans l’échantillon.
5. L’analyseur de fluorescence X
Lorsque des rayons X frappent un échantillon, les éléments qu’il contient absorbent l’énergie et l’émettent, produisant des rayons X fluorescents.
L’énergie de ces rayons X fluorescents varie en fonction du type d’élément. Il est donc possible de déterminer quels éléments sont contenus dans l’échantillon en mesurant l’énergie de ces rayons.
6. L’analyseur de spectromètres de photoélectrons de rayons X
Lorsqu’une surface solide est exposée à des rayons X, il se produit une ionisation des atomes. Des molécules et des électrons sont ainsi émis à la suite de l’ionisation. Les électrons émis ont des énergies différentes en fonction de l’élément et de son état chimique.
En variant l’énergie des rayons X, la surface de l’échantillon peut être étudiée à différentes profondeurs.
Types de spectromètres
Il existe plusieurs types d’analyseurs spectrométriques, chacun pouvant analyser des éléments différents. Cette section décrit brièvement six types d’instruments typiques.
1. Le spectrophotomètre ultraviolet-visible (UV-Vis)
Cet instrument utilise la lumière ultraviolette ou visible comme source lumineuse pour examiner la lumière transmise, absorbée ou réfléchie par une substance. Il peut être utilisé pour l’analyse qualitative et quantitative des composants d’un échantillon.
2. Le spectrophotomètre infrarouge (IR)
Cet instrument utilise le rayonnement infrarouge comme source de lumière pour examiner la lumière transmise et réfléchie par une substance. Il peut être utilisé pour estimer la structure et analyser quantitativement les composants d’un échantillon.
3. Les spectromètres d’émission atomique à plasma inductif (ICP-AES)
Cet appareil permet d’introduire un échantillon dans un plasma à couplage inductif et de détecter le phénomène de luminescence qui se produit lors de l’introduction. La sensibilité extrêmement élevée permet une analyse qualitative et quantitative des éléments traces.
4. Le spectromètre d’absorption atomique (SAA)
Cet équipement utilise le phénomène d’absorption de la lumière par les atomes à des longueurs d’onde spécifiques pour effectuer des analyses qualitatives et quantitatives d’éléments traces.
5. L’analyseur de fluorescence X (XRF)
Cet appareil permet d’effectuer l’analyse élémentaire de substances en utilisant les rayons X comme source de lumière. Il peut effectuer une analyse qualitative et quantitative des échantillons en mesurant la fluorescence des rayons X propre à chaque élément.
6. L’analyseur de spectromètres de photoélectrons à rayons X (XPS)
Cet appareil utilise les rayons X comme source de lumière pour obtenir des informations sur les atomes et les molécules qui composent la surface d’un solide.