Principe de la spectrométrie

Spectrométrie d’absorption UV et Visible (colorimétrie)

Le principe est basé sur l’absorption des radiations lumineuses par la matière.

L’origine de l’absorption lumineuse est due à l’interaction des photons incidents avec les espèces de l’échantillon.

Le spectromètre est constitué d’une source (lampes incandescence avec filament de tungstène, à arc au deutérium < 350nm, à arc xénon 200 à 1100 nm), d’un système dispersif (monochromateur) et d’un détecteur (tube photomultiplicateur ou semi conducteur).

Ils sont séquentiels (pivotement du réseau) ou simultanés (réseau situé après l’échantillon) et à simple ou double faisceau.

Cette technique permet notamment de mesurer des concentrations de solution et des cinétiques de réaction.

Spectrométrie proche et moyen Infra Rouge

Basé sur l’absorption ou la réflexion par l’échantillon des radiations électromagnétiques comprises entre 1 et 50 µm.

Dans le proche et moyen IR, l’absorption de la lumière par la matière a pour origine l’interaction entre les radiations de la source lumineuse et les liaisons chimiques.

Les atomes situés aux deux extrémités d’une liaison sont animés d’un mouvement de vibration l’un par rapport à l’autre et s’ils sont différents ils forment un dipôle électrique oscillant à cette même fréquence.

Si on irradie à cette même fréquence, il y aura absorption (accord entre fréquence mécanique et électromagnétique).

Concernant l’Infra Rouge à Transformé de Fourier, technique dont dispose le laboratoire, les mesures se situent en général entre 4000 et 400 cm^-1 (nombre d’onde = 1/λ)

Lorsque la longueur d'onde (l'énergie) apportée par le faisceau lumineux est voisine de l'énergie de vibration de la molécule, cette dernière va absorber le rayonnement et on enregistrera une diminution de l'intensité réfléchie ou transmise.

Pour les appareils à Transformée de Fourier, le monochromateur est remplacé par un interféromètre de Michelson.

Les appareils à Transformée de Fourier présentent les avantages de rapidité et de sensibilité.

La présence de système informatique donne en outre accès aux possibilités de traitement numérique du signal : addition, soustraction, lissage de spectres, accumulation de spectres, interprétation assistée avec banques de données.

Les longueurs d'onde auxquelles l'échantillon absorbe, sont caractéristiques des groupes chimiques présents dans le matériau analysé. Des tables permettent d'attribuer les absorptions aux différentes fonctions principales rencontrées dans les composés organiques.

Un spectre IR peut être très complexe et l'attribution structurale de toutes les bandes d'absorption n'est généralement pas possible. Cependant, c'est une véritable carte d'identité de la molécule, extrêmement riche en information.

La limitation de l’IRTF réside dans l'accessibilité des échantillons à l'analyseur.

Dans la pratique, on travaillera dans des solvants, soit en cuve, soit étalés sur pastille (KBr, NaCl), sur des échantillons solides dispersés dans une pastille de KBr, sur des surfaces (films) par la technique MATR (Multiple Atenuated Total Reflexion).

Spectrométrie d’absorption atomique et émission de flamme

Concernant la SAA, les atomes dans un état gazeux à l’état fondamental absorbent aux mêmes longueurs d’onde que celles qu’ils sont capables d’émettre.

L’atome à l’état libre est porté à haute température ou irradié avec une source lumineuse du domaine du proche UV Visible.

On favorise ainsi le passage d’un électron externe de l’état fondamental à excité. Il y a absorption d’énergie.

Inversement quant il revient spontanément à l’état fondamental, il réémet cet excès d’énergie.

L’appareil SAA est composé de :

• une source de lumière (source primaire) qui produit une radiation caractéristique de l’élément à doser
• un système pour moduler le rayonnement provenant de la source (lampe à cathode creuse)
• un atomiseur (flamme ou four graphite) dont le rôle est de produire un nuage d’atomes à l’état fondamental ;
• un monochromateur qui sert à éliminer toutes les radiations autres que celle à la longueur d’onde de l’élément à doser.
• un détecteur couplé à un système électronique pour enregistrer et traiter les signaux.
• un diviseur de faisceau lumineux dans les appareils à double faisceau
• un correcteur d’absorptions non spécifiques (par exemple une lampe Deutérium).
• un système permettant la visualisation des signaux spécifiques et non spécifiques.

La spectrométrie d’absorption atomique permet le dosage d’une trentaine d’éléments (Cu, Zn, Pb, Cr, Fe, Cd,  etc.…).

La SAA couvre un vaste éventail d’applications : l’analyse des eaux, des tissus végétaux et animaux, des aliments et boissons, des sols, engrais et sédiments, des liquides biologiques, des produits industriels.

Pour la spectrométrie d’émission de flamme, on mesure l’intensité des radiations émises par les atomes passés à l’état excité dans la flamme.

On utilise au laboratoire un photomètre de flamme JENWAY PFP7, il est très simple d'utilisation et permet de doser Na, Ca, Li et K.
Cette méthode sera préférable pour les Alcalins par exemple.

Spectrométrie d’émission atomique

(non utilisée actuellement sur la plateforme)

C’est l’étude optique des radiations émises par les atomes passés dans un état excité (ionisé).

L’ICP (inductively coupled plasma), est généralement utilisée et l’ionisation est réalisée dans une torche à plasma.

Comme en émission de flamme, la source lumineuse provient de l’échantillon, mais la torche à plasma permet d'atteindre des températures de I'ordre de 8000 K, augmentant ainsi le nombre d'atomes à l'état excité, et donc la sensibilité.

Un couplage particulier, l'ICP-MS utilise le fait que le plasma fabrique des ions, pour les accélérer par un champ magnétique vers un spectromètre de masse (voir ci-dessous) et permet de réaliser, entre autre, des dosages isotopiques.

Résonance Magnétique Nucléaire

(disponible à proximité de la plateforme)

Donne la structure des composés moléculaires organiques.

La RMN tire des informations de l’interaction qui naît entre les noyaux des atomes de certains éléments présents dans l’échantillon et le champ magnétique intense et constant, produit par un aimant auquel on le soumet (signaux de résonance).

Sur un appareil, on donne la fréquence nominale du proton qui est liée au champ de l’appareil (exemple B 0 = 9 T entraîne 1 H = 400 MHz)

Le spectre RMN correspond à l’absorption, par certains atomes de l’échantillon, de certaines des fréquences présentent dans la source électromagnétique.

De l’interprétation de ces signaux (position, aspect, intensité) on en déduit la structure.

Cette technique fait appel au spin des noyaux qui permet d’expliquer le comportement des atomes dans un milieu où il règne une direction privilégiée.

Il ne faut donc pas de spin nul pour étudier un atome en RMN.

Il ne faut donc pas que A (nucléon) et Z (proton) soient tous deux paires, sinon il n’y a pas de spin (donc pas de RMN).

Donc pas de RMN pour par exemple C (A=12, Z=6) ; Hé (A=4, Z=2) ; O (16, 8) ; Si (28, 14) ; S (32, 16)…

Cependant la sensibilité varie suivant les noyaux.

Spectrométrie de masse

(non utilisée actuellement sur la plateforme)

C’est l’étude de la masse des espèces atomiques qui renseigne sur la nature, la composition et la structure.

Le composé est ionisé. Les espèces porteuses de charge électrique qui en résultent sont soumises à l’action d’un champ électrique et/ou magnétique.

L’étude des trajectoires suivies (dans une enceinte sous vide) permet de déterminer le rapport masse/charge des ions, donc leurs natures.

Le spectre de masse représente l’abondance statistique de chaque type d’ion formé suivant son rapport masse/charge.

Dans un spectromètre de masse, les principales étapes sont : ionisation, accélération, séparation (en fonction de m/z) et détection.

Un couplage très utilisé est la chromatographie/SM.

La sortie de la colonne est reliée par l’intermédiaire d’une interface à un spectromètre de masse.

On trace le chromatogramme en courant ionique total (TIC). La sélection d’ion (mode SIM) permet de faire de l’analyse quantitative.