Qu’est-ce qu’un capteur spectral ?
Un capteur spectral est un type d’analyseur spectrométrique qui irradie de la lumière sur une substance et mesure la réflexion, la diffusion et l’absorption de cette lumière pour obtenir des informations moléculaires.
Ils sont presque identiques aux spectromètres et sont généralement intégrés à un détecteur. Il existe différents types de capteurs spectraux, qui se distinguent par la gamme de longueurs d’onde de la lumière utilisée et par le principe utilisé. Les capteurs spectraux peuvent être utilisés pour contrôler la mesure de la couleur, la mesure de l’épaisseur du film et l’identification chimique des objets mesurés. Récemment, des capteurs spectraux compacts et performants ont été mis au point, permettant une analyse facile et en temps réel.
Utilisations des capteurs spectraux
Il existe de nombreux types de capteurs spectraux et ils sont utilisés dans un large éventail d’applications. Ils sont utilisés dans divers domaines, notamment les semi-conducteurs et d’autres domaines industriels, les applications médicales telles que les produits pharmaceutiques, et l’analyse de la qualité des aliments et de l’eau.
Par exemple, dans le secteur alimentaire, les capteurs spectraux dans le proche infrarouge sont utilisés pour mesurer les denrées alimentaires sans contact et sans dommage. Ils permettent une analyse non destructive du goût des produits agricoles et peuvent mesurer en temps réel la quantité de lycopène dans les tomates, la quantité de chlorophylle dans les légumes et la quantité de graisse dans la viande de porc. Les résultats de la mesure étant immédiatement visibles, les capteurs spectraux dans le proche infrarouge sont utiles pour la production et le contrôle de la qualité.
Principe des capteurs spectraux
Les capteurs spectraux irradient de la lumière sur une substance et mesurent la quantité de lumière absorbée par la substance en détectant la lumière réfléchie ou transmise. Comme la lumière absorbée par une substance dépend de sa composition et de sa structure, les capteurs spectraux peuvent être utilisés pour estimer la composition de la substance.
Les capteurs spectraux se composent principalement d’une source de lumière, d’une section de spectroscopie, d’une section d’échantillonnage et d’un détecteur. La lumière produite par la source lumineuse est transformée en lumière d’une longueur d’onde spécifique dans la section de spectroscopie et irradiée sur l’échantillon. Si une seule longueur d’onde de lumière irradiée est utilisée, on parle de monochromateur ; si plusieurs longueurs d’onde sont utilisées, on parle de polychromateur. Le premier prend plus de temps à mesurer car la longueur d’onde de mesure est balayée, mais il est plus précis. Le second prend moins de temps à mesurer, mais l’intensité du signal est plus faible et la précision est inférieure.
La lumière irradiée sur l’échantillon et réfléchie ou transmise est dirigée vers un détecteur dont l’intensité est mesurée. Le détecteur diffère selon la longueur d’onde mesurée : un détecteur CCD est utilisé dans la gamme des UV au proche infrarouge, de 180 nm à 1 100 nm, un détecteur de type InGaAs est utilisé dans la gamme du proche infrarouge, de 900 à 1 700 nm, et un détecteur de type InGaAs étendu dans la gamme du proche infrarouge, de 1 700 à 2 500 nm.
Types de capteurs spectraux
Les capteurs spectraux se distinguent par la longueur d’onde utilisée pour la mesure. Chacun possède ses propres caractéristiques et doit être choisi en fonction de son utilisation. Il existe plusieurs types de lumière et de dispositifs de mesure pour chacun d’entre eux, mais les capteurs spectraux utilisent généralement la lumière UV/visible, la lumière infrarouge proche, la lumière infrarouge moyenne et la lumière infrarouge lointaine.
1. Lumière UV/visible
L’échantillon à mesurer est irradié par la lumière UV/visible et la lumière réfléchie ou transmise est mesurée. La couleur de l’objet est déterminée à partir d’informations sur la mesure dans laquelle l’objet absorbe les trois couleurs rouge, bleue et verte. En tant que capteur de couleur qui détecte la couleur d’une substance, il est utilisé pour contrôler la couleur des produits et pour détecter les produits défectueux et les impuretés.
2. Proche infrarouge
La spectroscopie dans le proche infrarouge irradie l’échantillon à mesurer avec de la lumière proche infrarouge et mesure la lumière proche infrarouge transmise ou réfléchie. Les rayons infrarouges proches pénètrent les objets presque sans absorption. Elle permet d’analyser des échantillons dans différents états, y compris des solides, des poudres et des liquides. Comme mentionné ci-dessus, il est utilisé pour l’analyse non destructive des produits agricoles et alimentaires, les oxymètres de pouls pour mesurer la saturation en oxygène du sang et les caméras infrarouges.
3. Infrarouge moyen
L’échantillon à mesurer est irradié par une lumière infrarouge moyenne et la lumière infrarouge moyenne réfléchie est mesurée. Chaque molécule possède son propre schéma d’absorption, ce qui permet d’identifier les substances. Dans le cas d’échantillons solides, seule la zone proche de la surface où la lumière irradiée atteint l’échantillon peut être mesurée, c’est pourquoi cette technique est principalement utilisée pour détecter les impuretés dans les gaz et les liquides. Elle est utilisée pour l’analyse de l’huile de moteur et les tests d’urine.
4. Infrarouge lointain
Mesure le rayonnement infrarouge lointain émis par l’objet mesuré. Le rayonnement infrarouge lointain est étroitement lié à la température et permet de mesurer les différences de température. Il est utilisé en thermographie et dans les détecteurs de mouvement.
Autres informations sur les capteurs spectraux
Méthodes spectro-analytiques autres que les capteurs spectraux
Les méthodes spectroanalytiques mesurent l’énergie de la lumière transmise ou réfléchie par une substance et la comparent à l’énergie de la lumière incidente pour fournir une analyse qualitative ou quantitative de la substance. Les méthodes suivantes sont des méthodes typiques d’analyse spectrale et les longueurs d’onde utilisées varient des rayons gamma aux ondes radio.
1. Spectroscopie par absorption
La spectroscopie par absorption est une méthode d’analyse qui permet une analyse qualitative et quantitative des substances en irradiant une lumière sur un échantillon, en mesurant la lumière réfléchie ou transmise et en la comparant à l’énergie de la lumière incidente. Les analyseurs typiques sont des spectromètres d’absorption à différentes longueurs d’onde.
2. Spectroscopie de fluorescence (ou spectroscopie d’émission)
La spectroscopie de fluorescence est une méthode d’analyse dans laquelle la lumière est irradiée sur un échantillon, la fluorescence (ou l’émission) produite par l’échantillon est mesurée et l’énergie de la lumière est utilisée pour l’analyse qualitative et quantitative de la substance. Les analyseurs typiques sont la spectroscopie de fluorescence et de phosphorescence et la spectroscopie de fluorescence des rayons X (XRF).
3. Spectroscopie de diffusion de la lumière
La spectroscopie de diffusion de la lumière est une méthode d’analyse dans laquelle la lumière est irradiée sur un échantillon, la lumière diffusée est mesurée et l’énergie et l’intensité de la lumière sont utilisées pour l’analyse qualitative et quantitative des substances. Les instruments analytiques typiques sont la spectroscopie Raman, la diffusion dynamique de la lumière (DLS) et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS).
4. Spectroscopie par résonance magnétique
La spectroscopie par résonance magnétique est une méthode d’analyse dans laquelle la lumière est irradiée sur un échantillon dans un champ magnétique, la lumière transmise est mesurée et la lumière absorbée peut être utilisée pour l’analyse qualitative et quantitative des substances. Les analyseurs typiques sont la résonance magnétique nucléaire (RMN), la résonance de spin électronique (RSE) et l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM).
5. Spectroscopie de photoélectrons
La spectroscopie photoélectronique est une méthode analytique qui consiste à irradier un échantillon avec de la lumière, à mesurer les électrons émis par effet photoélectrique et à utiliser leur énergie pour l’analyse qualitative et quantitative des substances. Les exemples typiques sont la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), la spectroscopie photoélectronique dans l’ultraviolet (UPS) et la spectroscopie d’électrons Auger (AES).