Qu’est-ce qu’un spectrophotomètre ?
Un spectrophotomètre est un terme générique désignant un appareil qui divise la lumière en différentes longueurs d’onde par spectrophotométrie. Il irradie la lumière divisée par spectres sur un échantillon et mesure la longueur d’onde et la quantité de lumière transmise et réfléchie par l’échantillon.
Les spectrophotomètres sont des analyseurs polyvalents utilisés dans un grand nombre de domaines, notamment la recherche et le développement, le contrôle de la qualité et l’analyse chimique. Les instruments typiques comprennent le spectrophotomètre ultraviolet sous vide (VUV), le spectrophotomètre ultraviolet-visible (UV-Vis) et le spectrophotomètre infrarouge (IR), chacun utilisant la lumière dans une gamme de longueurs d’onde différente pour obtenir divers types d’informations.
Principe du spectrophotomètre
Un spectrophotomètre détecte la lumière transmise ou réfléchie par un échantillon et produit un spectre correspondant. L’analyse de ces spectres permet d’obtenir diverses informations sur l’échantillon. Par exemple, l’analyse quantitative des échantillons peut être effectuée à partir de l’intensité des pics, l’analyse qualitative à partir des formes d’ondes spectrales, et l’évaluation des états électroniques, des structures moléculaires et des propriétés des matériaux.
L’instrument se compose principalement d’une source de lumière, d’une section de spectroscopie, d’une section d’échantillon et d’un détecteur. La source lumineuse est la partie qui émet la lumière pour l’analyse. Deux types de sources lumineuses sont principalement utilisés : les tubes à décharge au deutérium pour la région UV et les lampes au tungstène pour les régions visibles et proches de l’infrarouge.
Un spectrophotomètre fonctionne en sélectionnant la lumière d’une longueur d’onde spécifique à partir d’une source lumineuse, qui peut être de type filtre, prisme ou réseau de diffraction. La section échantillon contient la cuve dans laquelle se trouve l’échantillon à mesurer. On utilise principalement des cuves en verre ou en quartz.
Le détecteur convertit la lumière transmise par l’échantillon en un signal électrique. Les types de détecteurs comprennent les photosémiconducteurs (cellules photoélectriques) et les tubes photomultiplicateurs (photomultiplicateurs).
Types de spectrophotomètres
Les spectrophotomètres irradient un échantillon avec de la lumière et peuvent examiner la longueur d’onde et l’absorption de la lumière transmise et réfléchie. Il existe plusieurs types d’appareils en fonction de la lumière irradiée. Cette section donne un aperçu de trois spectrophotomètres : le spectrophotomètre UV sous vide, le spectrophotomètre UV-visible et le spectrophotomètre infrarouge.
1. Spectrophotomètre ultraviolet sous vide (VUV)
Cet instrument utilise la lumière dans la région de l’ultraviolet sous vide (inférieure à 200 nm) comme source lumineuse pour examiner la lumière transmise et réfléchie par les matériaux. La lumière dans la région ultraviolette sous vide est absorbée par les molécules d’oxygène et d’azote, c’est pourquoi les mesures doivent être effectuées sous vide. Elle est utilisée pour évaluer les propriétés des matériaux.
2. Spectrophotomètre ultraviolet-visible (UV-Vis)
Cet instrument utilise la lumière ultraviolette (200-380 nm) et visible (380-780 nm) comme source lumineuse pour examiner la lumière transmise et réfléchie par un matériau. Il peut être utilisé pour l’analyse qualitative et quantitative des composants des échantillons.
3. Spectrophotomètre infrarouge (IR)
Il existe deux types de spectrophotomètre IR : le spectrophotomètre infrarouge proche utilisant la lumière infrarouge proche (780-2500 nm) et le spectrophotomètre infrarouge moyen utilisant la lumière infrarouge moyenne (2500-25000 nm). Ils peuvent être utilisés pour évaluer les liaisons moléculaires et les groupes fonctionnels et pour l’analyse quantitative des composants.
Les spectrophotomètres spéciaux comprennent les spectromètres Raman, qui détectent la lumière Raman diffusée par un échantillon afin d’identifier la structure moléculaire du matériau et d’évaluer ses propriétés physiques, et les spectrophotomètres infrarouges à transformée de Fourier. Ces derniers utilisent un interféromètre pour détecter simultanément une lumière non dispersive à toutes les longueurs d’onde et calculer chaque composante de longueur d’onde en effectuant une transformée de Fourier (Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier : FT-IR), détectant ainsi simultanément la lumière à toutes les longueurs d’onde de manière non dispersive à l’aide d’un interféromètre et calculant chaque composante de longueur d’onde en effectuant une transformée de Fourier.
Autres informations sur le spectrophotomètre
1. Faisceau unique et double faisceau
L’optique des spectrophotomètres varie considérablement en fonction de son utilisation. Les systèmes à faisceau unique et à double faisceau sont présentés à titre d’exemple.
L’optique à faisceau unique (monochromatique) désigne un système optique dans lequel la lumière monochromatique (lumière d’une seule longueur d’onde) est éclairée par un monochromateur et la lumière réfléchie ou transmise est détectée par un détecteur. La configuration du système optique étant très simple, elle peut être obtenue à un coût relativement faible. Cependant, il s’agit également d’un système optique qui est sujet à des erreurs au fil du temps en raison de la dérive causée par les fluctuations de la source lumineuse, l’auto-échauffement du dispositif, etc. Malgré sa simplicité, il n’est pas adapté aux mesures qui nécessitent un haut degré de précision.
La méthode du double faisceau permet de remédier à ces inconvénients. Dans la méthode à double faisceau, la lumière séparée spectralement par le monochromateur est divisée en une lumière d’échantillon et une lumière de référence par un demi-miroir ou un dispositif similaire. La lumière de l’échantillon est éclairée sur l’échantillon et, comme dans le système à faisceau unique, la lumière réfléchie et transmise est détectée par un détecteur. La lumière de référence, quant à elle, est utilisée pour compenser la dérive causée par l’instrument.
Comme la lumière de référence et la lumière de l’échantillon contiennent toutes deux des erreurs induites par l’instrument, le signal obtenu à partir de la lumière de référence est comparé au signal obtenu à partir de la lumière de l’échantillon afin d’en annuler les effets.
2. Lignes directrices pour l’entretien quotidien d’un spectrophotomètre
L’un des problèmes que l’on peut rencontrer avec les instruments de mesure est l’entretien et la garantie de leur précision. Les spectrophotomètres n’échappent pas à ce problème. Des contrôles quotidiens sont indispensables, car il est trop tard pour prendre des contre-mesures après l’apparition d’un défaut.
À titre indicatif, voici quelques indicateurs importants pour les spectrophotomètres. Un contrôle quotidien de ces indicateurs peut permettre de détecter rapidement les anomalies.
Précision de la longueur d’onde
Il s’agit de l’erreur entre la longueur d’onde détectée par l’instrument et la longueur d’onde de la source lumineuse. La précision de la source lumineuse ou du détecteur peut être vérifiée par des inspections de routine.
Répétabilité de la longueur d’onde
Il s’agit de la variation de la longueur d’onde lorsque la même longueur d’onde est mesurée à plusieurs reprises. L’erreur est contrôlée par la variance, l’écart-type et la valeur moyenne.
Résolution
Évalue la largeur de bande lors de la mesure de la lumière monochromatique. Il existe plusieurs définitions de la largeur de bande, mais ici, elle est contrôlée par la largeur à mi-hauteur (LMH ou FWHM en anglais).
Lumière parasite
Se réfère à des longueurs d’onde autres que la longueur d’onde cible obtenue à partir de l’appareil. Si la lumière parasite n’est pas définie, la justesse du spectre obtenu sera opaque.