Qu’est-ce qu’un microscope Raman ?
Le microscope Raman (ou microscopie Raman) est un instrument de mesure qui combine un spectromètre Raman et un microscope optique.
Il permet une analyse non destructive d’informations détaillées sur une substance, telles que sa structure chimique, ses interactions intermoléculaires et sa cristallinité. En combinant un spectromètre Raman et un microscope, il est possible d’observer un objet sous le microscope et de mesurer des points sélectionnés, ou d’obtenir une image visualisant la distribution de la composition.
Utilisations du microscope Raman
La spectroscopie Raman étant basée sur les liaisons chimiques, les mesures fournissent des informations sur :
- La structure chimique
- La phase, polymorphisme
- La déformation
- Les impuretés, la contamination
Comme les spectres Raman sont propres à chaque substance, ils peuvent être utilisés pour identifier rapidement une substance ou la distinguer des autres. Le microscope Raman peut également être utilisé pour analyser de nombreux échantillons différents. En général, il ne convient pas à l’analyse des métaux et des alliages, mais à l’analyse des éléments suivants :
- Des solides, des poudres, des liquides, des gels, des boues et des gaz
- Des matières inorganiques, organiques et biologiques
- Des produits chimiques purs, mélanges et solutions
- Des oxydes métalliques et corrosion
Voici quelques exemples typiques d’utilisation de la microscopie Raman :
- Caractérisation des pigments, des céramiques et des pierres précieuses dans les domaines de l’art et de l’archéologie
- Évaluation de la structure et de la pureté, des défauts et du désordre des nanotubes de carbone.
- En chimie, contrôle de la structure, de la pureté et de la réaction
- Dans les sciences de la vie, cellules et tissus uniques, interactions médicamenteuses, diagnostic des maladies
Structure du microscope Raman
Le microscope Raman est un instrument de mesure combinant un spectromètre Raman et un microscope.
La lumière irradiée provenant de la source laser est guidée vers l’échantillon à travers l’objectif du microscope et irradiée sur l’échantillon. La lumière diffusée générée par l’échantillon est focalisée par la lentille de l’objectif et seule la lumière Raman diffusée est détectée à travers un filtre de coupure de la lumière de Rayleigh.
Principe de la microscopie Raman
Lorsque la lumière est irradiée sur un matériau, un phénomène de diffusion se produit. La majeure partie de la lumière diffusée produite est une lumière diffusée de Rayleigh avec la même longueur d’onde que la lumière irradiée, mais une partie de la lumière diffusée avec une longueur d’onde légèrement différente de celle de la lumière irradiée est incluse, et cette lumière diffusée est appelée lumière diffusée de Raman.
Il existe deux types de lumière diffusée Raman : la lumière diffusée Stokes, dont la longueur d’onde est supérieure à celle de la lumière irradiée, et la lumière diffusée anti-Stokes, dont la longueur d’onde est inférieure.
La lumière de diffusion Raman résulte de l’interaction de la lumière irradiée avec une substance, et la différence de longueur d’onde entre la lumière de diffusion Rayleigh et la lumière de diffusion Raman correspond à l’énergie de la vibration moléculaire de la substance irradiée. On sait que les seules vibrations moléculaires dans lesquelles la diffusion Raman se produit sont les modes de vibration actifs Raman, et il est possible de déduire ou de simuler les modes de vibration actifs Raman à partir de la structure moléculaire.
Le spectrophotomètre infrarouge est un instrument d’analyse similaire qui utilise les vibrations moléculaires, mais il existe des différences dans les vibrations moléculaires qui peuvent être mesurées, ce qui en fait un instrument d’analyse complémentaire.
Les différents types de molécules et les différents états de liaison produisent des spectres Raman différents en raison des différentes énergies des vibrations moléculaires. Les substances peuvent être identifiées en comparant les positions et les intensités relatives des pics des spectres Raman avec des substances connues. Il est également souvent utilisé pour l’analyse qualitative en interprétant les éléments suivants :
- Position des pics
Informations sur la liaison chimique - Décalage des pics
Informations sur les interactions intermoléculaires, les contraintes et les déformations - Forme d’onde spectrale
Informations sur la structure moléculaire, différences dans la structure cristalline - Largeur de la demi-valeur
Différence entre cristallin et non cristallin
L’analyse quantitative est également possible grâce à l’intensité du spectre qui est proportionnelle à la concentration.
Autres informations sur le microscope Raman
1. Notes sur le microscope Raman
La lumière diffusée par Raman étant plus faible que la lumière diffusée par Rayleigh, une certaine intensité de lumière laser est nécessaire, mais la lumière laser peut poser des problèmes. Si la longueur d’onde de la lumière laser chevauche la région d’absorption de la molécule mesurée, la molécule deviendra fluorescente, ce qui augmentera le fond de sac du spectre Raman et enterrera le spectre à obtenir.
Pour éviter cela, il est nécessaire de prendre des mesures telles que l’ajustement du temps d’exposition, l’ajustement de la profondeur de champ, le rétrécissement de la fente spectrale ou l’utilisation d’un filtre confocal (DSF). D’autres mesures peuvent être prises pour supprimer la fluorescence en changeant la source laser.
Pour les matériaux organiques, la fluorescence se produit souvent lors de l’utilisation de la lumière laser commune de 532 nm, de sorte qu’une lumière laser de plus grande longueur d’onde, telle que 785 nm, est parfois choisie. Cependant, il faut être prudent lors du passage à une lumière laser de plus grande longueur d’onde, car la sensibilité de certains spectromètres et détecteurs peut être extrêmement réduite.
Si l’objet à mesurer est un matériau organique ou carboné, en fonction de l’intensité et de la durée du faisceau laser, le matériau mesuré peut être “brûlé” et dégradé. La dégradation du matériau mesuré peut être évitée en ajustant les conditions de mesure, par exemple en réduisant l’intensité du laser ou en raccourcissant le temps d’exposition.
Certains matériaux en carbone, par exemple, sont photoréactifs, c’est-à-dire qu’ils réagissent à la lumière laser irradiée. Ces matériaux peuvent être traités en ajustant les conditions de mesure de la même manière, ou en changeant la longueur d’onde de la lumière laser pour supprimer la photoréaction.
2. Nouvelle technologie de microscopie Raman
Diverses techniques ont été mises au point pour améliorer la sensibilité et la résolution des microscopes Raman.
Le Raman amélioré par les surfaces (SERS), le Raman amélioré par les pointes (TERS) et d’autres techniques utilisent le phénomène de résonance plasmonique de surface localisée sur les surfaces métalliques, ce qui permet de mesurer l’intensité de la lumière Raman diffusée avec une plus grande sensibilité et une plus grande résolution spatiale.
La diffusion Raman cohérente anti-Stokes (CARS) et la diffusion Raman induite (SRS) sont des types de diffusion Raman non linéaire dans lesquels deux longueurs d’onde différentes sont utilisées simultanément pour obtenir des spectres avec des intensités de signal supérieures de plusieurs ordres de grandeur.
D’autres techniques ont également été mises au point, comme les séparateurs de faisceau, qui permettent d’obtenir des spectres Raman de manière linéaire ou planaire avec une seule irradiation laser, ce qui rend l’imagerie Raman beaucoup plus rapide.