Qu'est-ce qu'un spectromètre ? Spectromètre UV, VIS et IR expliqué
Auteur : Ng Ci Xuan – Stagiaire en recherche et développement
Editeur : Bryan Ng – Responsable marketing
Éditeur : Preethi – Ingénieur du support technique
Publié: Avril 29 2020
1. Qu'est-ce qu'un spectromètre ?
Le terme « spectromètre » désigne un instrument qui sépare et mesure les composantes spectrales d'une caractéristique physique. Il s'agit d'un appareil mesurant une variable continue dont les composantes spectrales sont séparées de leur mélange initial.
Il existe plusieurs variantes de spectromètres et certains des plus courants sont le spectromètre à résonance magnétique nucléaire (RMN), le spectromètre de masse et le spectromètre optique.
1.1 Spectromètre RMN
Le spectromètre RMN observe et mesure l'interaction des spins des noyaux lorsque l'échantillon est placé dans un champ magnétique fort et constant. Le signal RMN est produit lorsque les noyaux interagissent avec le champ magnétique à une fréquence qui résonne avec la fréquence des noyaux.
Le champ magnétique intramoléculaire entourant l'atome dans une molécule change avec la fréquence de résonance, révélant ainsi la structure moléculaire de l'échantillon.
1.2 Spectromètre de masse
Un spectromètre de masse mesure le rapport masse/charge des ions et identifie la composition des éléments présents dans un échantillon. Cela fonctionne en ionisant un échantillon, ce qui provoque la charge et la séparation de certaines molécules en fonction de leur rapport masse sur charge.
Ces ions sont ensuite détectés par un appareil capable de détecter des particules chargées.
1.3 Spectromètre optique
Un spectromètre optique mesure les propriétés de la lumière, généralement à proximité de la région optique du spectre électromagnétique, c'est-à-dire la lumière ultraviolette, visible et infrarouge.
La variation de l'absorption et de l'émission de l'intensité lumineuse avec la longueur d'onde permet d'identifier les matériaux.
Dans cet article, nous nous concentrerons sur le spectromètre optique.
2. Principe de fonctionnement d'un spectromètre
Un spectromètre se compose de trois composants principaux : une fente d'entrée, un réseau et un détecteur.
2.1 Fente d'entrée
La lumière de la source pénètre dans la fente d'entrée et la taille de la fente détermine la quantité de lumière qui peut être mesurée par l'instrument. La taille de la fente affecte également la résolution optique du spectromètre, où plus la taille de la fente est petite, meilleure est la résolution.
Le faisceau devient divergent après avoir traversé la fente et en réfléchissant le faisceau divergent sur un miroir de collimation, le faisceau devient collimaté. Les rayons collimatés sont alors dirigés vers un réseau de diffraction. Le réseau agit comme un élément dispersif et divise la lumière en ses longueurs d'onde constitutives.
2.2 Caillebotis
Un monochromateur utilise un phénomène de dispersion optique dans un prisme ou de diffraction à partir de réseaux de diffraction pour sélectionner une longueur d'onde de lumière particulière. Dans les spectromètres traditionnels, des prismes étaient utilisés pour disperser la lumière.
Cependant, avec l'invention du réseau de diffraction, il est devenu le monochromateur le plus utilisé dans les spectromètres modernes car il présente plus d'avantages par rapport au prisme.
Les deux appareils sont capables de diviser la lumière en plusieurs couleurs, mais un réseau de diffraction peut être réalisé pour répartir les couleurs sur un angle plus grand qu'un prisme. Les prismes ont également une dispersion plus élevée uniquement dans la région UV, tandis que les réseaux de diffraction ont une dispersion élevée et constante sur le spectre UV, VIS et IR.
Une fois que la lumière atteint le réseau de diffraction, chaque longueur d'onde est réfléchie sous un angle différent. Un réseau de diffraction de différentes tailles est également utilisé pour déterminer différentes plages de longueurs d'onde.
Le faisceau redevient divergent après avoir été réfléchi par le réseau, il frappe donc un deuxième miroir pour se focaliser et le diriger vers le détecteur.
2.3 Détecteur
Le détecteur capte les spectres lumineux et mesure l'intensité de la lumière en fonction de la longueur d'onde. Ces données sont ensuite numérisées et tracées sur un logiciel sous forme de graphique.
3. Parties d'un spectromètre
La section ci-dessus a expliqué le fonctionnement d'un spectromètre. Dans cette section, les composants d'un spectromètre et la variété de chaque composant seront couverts.
3.1 Sources lumineuses
Les sources lumineuses que l'on trouve couramment dans un spectromètre sont constituées d'halogènes au tungstène, de deutérium, d'arcs au xénon, de LED, d'argon au mercure, de zinc ou de lasers.
3.2 Fente d'entrée
Les fentes sont disponibles dans une variété de tailles, de 5 μm à 800 μm avec une hauteur de 1 mm à 2 mm. La taille de la fente dépend de l'application et les fentes les plus couramment utilisées sont dans les largeurs 10, 25, 50, 100 et 200 μm.
3.3 Miroirs
Les types de miroirs les plus courants sont généralement les miroirs plans et sphériques. Les miroirs sphériques peuvent être divisés en deux types - les miroirs sphériques concaves et convexes. Cependant, dans un spectromètre, des miroirs sphériques concaves sont généralement utilisés.
3.4 Réseaux de diffraction
Il existe deux types de réseaux de diffraction disponibles sur le marché : les réseaux gouvernés et les réseaux holographiques.
Un réseau ligné est produit en gravant physiquement des rainures sur une surface réfléchissante à l'aide d'un outil en forme de diamant sur une machine à régler tandis qu'un réseau holographique est produit par un processus connu sous le nom de lithographie interférentielle, qui construit un motif d'interférence à l'aide de deux faisceaux UV.
Les réseaux réglés peuvent être blazés pour des longueurs d'onde spécifiques et ont généralement une efficacité plus élevée que les réseaux holographiques.
Les réseaux holographiques ont tendance à avoir une forme et un espacement de rainures plus uniformes et génèrent moins de lumière parasite lorsqu'ils sont produits optiquement.
3.5 XNUMX détenteurs
Les échantillons sont généralement des liquides, mais les gaz et les solides peuvent également être testés. Les échantillons sont généralement placés à l'intérieur d'une cellule transparente, appelée cuvette. Des tubes à essai peuvent également être utilisés à la place des cuvettes dans certains équipements.
Le matériau utilisé pour produire la cuvette dépend de la gamme spectrale couverte par le spectromètre. La silice fondue ou le verre de quartz sont couramment utilisés car ils sont transparents dans les régions UV à IR.
3.6 Détecteurs
Il existe une grande variété de détecteurs utilisés dans différents spectromètres et certains détecteurs couramment utilisés sont le tube photomultiplicateur (PMT), la photodiode, le réseau de photodiodes, le dispositif à couplage de charge (CCD), le bolomètre et l'analyseur multicanal (MCA).
Interface 3.7
La plupart des systèmes de spectromètre s'interfacent avec l'ordinateur via USB, RS-232 ou Ethernet. Grâce aux progrès technologiques, les nouveaux systèmes sont capables de transférer des données sans fil en utilisant le Wi-Fi et le Bluetooth.
3.8 Software
De nombreux logiciels peuvent être utilisés avec les spectromètres pour l'acquisition de données. La plupart des fabricants de ces instruments fournissent également un logiciel compatible avec leurs spectromètres. Par exemple, les spectromètres de StellarNet sont fournis avec le logiciel SpectraWiz.
En plus de ces logiciels prêts à l'emploi, d'autres vous permettent de coder, de créer votre programme et de le personnaliser selon vos besoins, par exemple LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA pour MS Excel et MATLAB.
4. Utilisation de spectromètres
Il existe plusieurs utilisations pour un spectromètre.
Un exemple est un spectromètre UV qui utilise une gamme spectrale de 200 à 400 nm, installé avec une fente d'entrée de 200 μm de largeur, avec un réseau holographique avec une taille de rainure de 2400 g/mm, et avec un détecteur CCD de 2000 pixels, peut détecter les impuretés dans les molécules organiques - telles que le benzène, qui est une impureté commune trouvée dans le cyclohexane et sa présence peut être facilement détectée par son absorption avec un pic à 255 nm dans le spectre.
5. Types de spectromètres optiques
Les spectromètres optiques peuvent être classés de deux manières. La première est par leur longueur d'onde tandis que la seconde est par leurs propriétés d'interaction avec la lumière.
5.1 Longueur d'onde
5.1.1 Ultraviolets (UV)
La spectroscopie UV utilise la lumière dans la gamme UV de longueur d'onde comprise entre 200 et 400 nm pour mesurer la quantité de lumière absorbée ou réfléchie par un échantillon et pour déterminer les concentrations d'éléments dans l'échantillon.
Les électrons de l'échantillon sont excités de l'état fondamental à un état d'énergie plus élevé lorsque les molécules absorbent l'énergie dégagée par la lumière UV. La quantité d'énergie que possèdent les électrons est proportionnelle à la longueur de la longueur d'onde qu'ils peuvent absorber.
L'identification de l'échantillon se fait en comparant le spectre produit lorsque l'échantillon absorbe la lumière UV avec les spectres de composés connus.
Un spectromètre UV utilise généralement des lampes à arc au deutérium, à arc au xénon ou à halogène au tungstène. Le type de réseau utilisé est généralement un réseau holographique et le détecteur utilisé est généralement un PMT, une photodiode, un réseau de photodiodes ou un CCD. Les détecteurs sont généralement livrés avec une taille de pixel de 14 μm sur 200 μm.
Un spectromètre UV est couramment utilisé dans des industries telles que la science des matériaux, le contrôle qualité, la pétrochimie, l'alimentation et l'agriculture, les sciences de la vie, les composants optiques, etc.
Il est également généralement utilisé dans des applications telles que la détection d'impuretés, la présence ou l'absence de tout groupe fonctionnel dans un composé, l'identification de composés, l'élucidation structurelle de composés organiques, etc.
5.1.2 Visible (VIS)
Un spectromètre VIS fonctionne de la même manière qu'un spectromètre UV, à ceci près qu'il utilise la lumière dans la région visible du spectre électromagnétique, c'est-à-dire une longueur d'onde de 400 nm à 700 nm, pour identifier les composés qui n'interagissent pas avec la lumière UV.
Cet instrument peut également déterminer la concentration de substances dans un échantillon en mesurant sa transmittance ou son intensité d'absorbance.
Les lampes halogènes au tungstène, les lampes au xénon et les LED sont généralement utilisées comme sources lumineuses dans un spectromètre VIS.
Il utilise le même type de réseau de diffraction et de détecteur qu'un spectromètre UV. Le spectromètre VIS est également principalement utilisé dans les mêmes industries et applications que le spectromètre UV.
5.1.3 Infrarouge (IR)
Le spectromètre IR utilise les transitions vibrationnelles d'une molécule organique avec la lumière IR pour identifier les matériaux dans les spectres IR.
La lumière IR peut être divisée en trois parties entre 700 nm et 1 mm - infrarouge proche, moyen et lointain, qui est en relation avec le spectre visible.
Les photons à partir de l'IR moyen ne sont capables d'induire des excitations vibrationnelles que dans des atomes liés de manière covalente et ne sont pas capables d'exciter des électrons car les énergies ne sont pas assez grandes.
L'échantillon absorbe le rayonnement IR et correspond en énergie à ces vibrations. Cela permet d'enregistrer les spectres d'absorption des composés et les spectres sont uniques à chaque composé.
Le spectromètre IR à transformée de Fourier (FTIR), qui collecte des données sur une large plage, utilise la transformée de Fourier pour convertir les données brutes en un spectre.
Les infrarouges proches, moyens et lointains utilisent respectivement des lampes tungstène-halogène, des lampes globulaires et des lampes au mercure. Le type de grille installée est généralement une grille réglée. Les spectromètres NIR utilisent généralement des photodiodes InGaAs avec une taille de pixel de 25 μm sur 500 μm tandis que les spectromètres MIR utilisent des détecteurs pyroélectriques avec une taille de pixel de 48.5 μm sur 48.5 μm et les spectromètres FIR utilisent des bolomètres a-Si ou VOx de 75 μm sur 75 μm.
Cela se trouve généralement dans des industries telles que les produits pharmaceutiques, la sécurité environnementale, l'alimentation et les matériaux. Les applications qui utilisent le spectromètre IR comprennent la caractérisation des protéines, l'exploration spatiale, l'identification des composés, l'analyse des semi-conducteurs à l'échelle nanométrique, etc.
5.2 interactions
5.2.1 Résorption
Comme son nom l'indique, la spectroscopie d'absorption mesure l'absorption du rayonnement, en fonction de la longueur d'onde ou de la fréquence, d'un échantillon avec la source.
L'échantillon absorbe l'énergie de la source et l'intensité d'absorption varie avec la fréquence, cette variation produit alors le spectre d'absorption. Cette méthode de spectroscopie se fait à travers le spectre électromagnétique.
La spectroscopie d'absorption est utilisée pour déterminer les composés présents dans un échantillon et pour en mesurer la concentration. Les spectroscopies UV, VIS et IR mentionnées ci-dessus sont des exemples de spectroscopie d'absorption.
La source lumineuse la plus couramment utilisée en spectrométrie d'absorption est une lampe à cathode creuse et un PMT est utilisé comme détecteur. Ceci est souvent utilisé en télédétection, en astronomie et en physique atomique et moléculaire.
5.2.2 Réflexion
La spectroscopie de réflectance mesure la quantité de lumière réfléchie ou diffusée par un échantillon.
Les photons de la source qui sont réfléchis par l'échantillon ou réfractés à travers l'échantillon sont dits diffusés.
Ces photons diffusés sont ensuite détectés et enregistrés. Il en résulte un tracé de réflectance en fonction de la longueur d'onde.
Les systèmes de spectroscopie par réflectance utilisent généralement des lasers, des diodes superluminescentes, des LED ou des lampes halogènes comme source de lumière et des CCD, des photodiodes ou des MCA comme détecteur.
Le spectromètre de réflectance est utilisé dans l'industrie médicale pour fournir des informations sur la concentration des tissus et peut également être utilisé dans des industries telles que les sciences de l'environnement et la géologie.
5.2.3 Transmission
La spectroscopie de transmission fait référence à la mesure de la quantité de lumière qui traverse un échantillon sans modification.
Il est très lié à la spectroscopie d'absorption, ils partagent donc une configuration similaire.
Un spectre de transmission aura ses pics les plus élevés aux longueurs d'onde où l'absorption est la plus faible à mesure que plus de lumière traverse l'échantillon.
Selon la gamme spectrale, différentes sources lumineuses sont utilisées. Les LED, les lampes halogènes au tungstène ou au deutérium sont fréquemment utilisées. Les détecteurs typiques choisis sont les photodiodes et les CCD. Ceci est souvent utilisé dans l'analyse pharmaceutique.
5.2.4 Fluorescence
Comme mentionné dans la spectroscopie UV, les électrons d'un échantillon sont excités lorsqu'il absorbe la lumière et passe de l'état fondamental à un état électronique supérieur composé de divers états vibrationnels.
Les électrons excités peuvent transiter vers leur état fondamental en émettant un photon et ce processus est connu sous le nom de fluorescence.
Comme les électrons peuvent tomber dans n'importe lequel des différents niveaux de vibration de l'état fondamental, les photons émis contiendront différentes quantités d'énergie, et donc des intensités et des longueurs d'onde variables.
La spectroscopie de fluorescence est donc définie comme la mesure de la quantité de fluorescence d'un échantillon. Il utilise généralement la lumière dans la gamme UV ou VIS pour l'excitation des électrons.
La fluorescence est mesurée par des spectromètres à fluorescence et elle mesure diverses caractéristiques de la fluorescence, telles que l'intensité et la distribution de longueur d'onde de l'émission. Le spectre d'émission révèle alors les longueurs d'onde émises par les échantillons.
Les instruments qui mesurent la fluorescence sont connus sous le nom de fluorimètres. Les fluorimètres utilisent généralement des lasers, des LED, des lampes à arc au xénon ou à vapeur de mercure comme source lumineuse. Les photodiodes ou PMT sont généralement sélectionnés comme détecteurs en spectroscopie de fluorescence.
Cette méthode de spectroscopie est couramment utilisée dans les secteurs de la surveillance médicale, biochimique et environnementale. Les applications comprennent le diagnostic du cancer dans les tissus humains, la détection d'impuretés ou l'identification et la mesure de concentrations de substances, ainsi que la détection de diverses bactéries, virus et parasites responsables d'infections.
5.2.5 Diffusion
Lorsque la lumière traverse la matière, la majeure partie continue dans sa direction d'origine, cependant, une petite partie est diffusée dans d'autres directions.
Cette technique est basée sur la théorie de la diffusion Raman. L'effet de diffusion est la diffusion inélastique des photons par la matière, ce qui signifie qu'il y a un changement de direction de la lumière et que l'énergie est perdue par les photons après interaction avec l'échantillon.
Habituellement, les molécules obtiendront de l'énergie vibratoire à partir des photons incidents.
La majeure partie de la lumière diffusée est inchangée en énergie et il s'agit de la diffusion Rayleigh. La diffusion Raman est constituée d'une fraction extrêmement infime de photons diffusés (environ 1 sur 10 millions).
En analysant le changement vibrationnel dans l'échantillon, des propriétés telles que la composition chimique, la cristallinité et les interactions moléculaires peuvent être déterminées. Comme mentionné ci-dessus, la diffusion Raman est très faible, donc un spectromètre très sensible est nécessaire pour examiner la lumière.
Cet instrument est couramment utilisé dans des industries telles que la chimie, la physique, la pharmacie, les arts et la médecine. Il permet d'identifier des molécules et d'examiner des liaisons chimiques, de caractériser et d'étudier les structures de matériaux, de découvrir des médicaments contrefaits dans des emballages, d'étudier des biominéraux, etc.
6. Spectromètre Raman
La spectroscopie Raman est basée sur l'interaction de la lumière (généralement un laser) avec les liaisons chimiques d'un matériau.
La lumière est diffusée directement sur l'échantillon et passée à travers un filtre pour éliminer les particules de la diffusion Rayleigh.
La lumière restante de la diffusion Raman est ensuite dirigée vers un réseau de diffraction avant de se diriger vers le détecteur.
Il produit finalement un spectre Raman où chaque pic et intensité peuvent fournir des informations sur l'échantillon.
Le spectromètre Raman utilise uniquement un laser à onde continue comme source lumineuse.
Les lasers dans la gamme spectrale du rouge au NIR sont généralement utilisés, cependant, l'utilisation de lasers visibles en bleu et vert est en augmentation ces dernières années.
Il utilise également un réseau holographique comme monochromateur et des CCD comme détecteur.
7. Spectromètre contre. Spectrophotomètre
On confond souvent spectromètres et spectrophotomètres. Un spectrophotomètre est un instrument qui mesure les propriétés de transmission et d'absorption de la lumière en fonction de la longueur d'onde d'un matériau.
Il traite généralement de la lumière dans la gamme allant du proche ultraviolet à la lumière visible au proche infrarouge. Le spectrophotomètre lui-même contient un spectromètre ainsi qu'une source lumineuse pour mieux éclairer l'échantillon.
Le principe de fonctionnement est similaire au spectromètre, où un monochromateur est utilisé pour sélectionner une longueur d'onde de lumière pour atteindre l'échantillon. Selon l'opacité de l'échantillon, la lumière est soit réfléchie soit transmise. Le détecteur enregistre alors l'intensité de la lumière réfléchie ou transmise.
Ceci est répété avec le monochromateur à différentes longueurs d'onde pour que le détecteur mesure le changement d'intensité lumineuse. La sortie finale serait un spectre d'absorption en fonction de la longueur d'onde.
8. Où acheter un spectromètre fiable ?
Maintenant que vous savez ce qu'est un spectromètre et ses applications, vous devez savoir où en acheter un fiable. Vous pouvez acheter des spectromètres fiables auprès de Wavelength Opto-Electronic.
Nous sommes le distributeur des spectromètres StellarNet, proposant des spectromètres optiques pour les mesures en UV, VIS et NIR, à partir de longueurs d'onde de 190 à 2300 nm. Les spectromètres StellarNet sont conçus pour être portables et compacts, sans pièces mobiles.
