Leçons de niveau 14

Spectroscopie vibrationnelle/Instrumentation

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Instrumentation
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Chapitre no 4
Leçon : Spectroscopie vibrationnelle
Chap. préc. :Origine des spectres
Chap. suiv. :Dénombrement des modes de vibration
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Spectroscopie vibrationnelle/Instrumentation
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Spectromètre Raman[modifier | modifier le wikicode]

Spectromètre

Un spectromètre classique est composé de 5 composants principaux, dont leur agencement classique est représenté sur la figure ci-contre.

  1. Une source excitatrice
  2. Un dispositif d'illumination et de collection de l'échantillon
  3. Un support d'échantillon
  4. Un spectromètre
  5. Un système de détection

Des améliorations technologiques ont permis d'améliorer le fonctionnement du dispositif et d’utiliser des laser couvrants toute la gamme spectrale UV-Visible.

Les sources excitatrices[modifier | modifier le wikicode]

Les laser continus (Continuous Waves, CW) comme Ar⁺ (351,1 — 514,5 nm), Kr⁺ (337,4 — 676,4 nm) et He-Ne ( 632,8 nm) sont communément utilisés sur les spectromètres Raman. Des laser pulsés comme Nd:YAG, diode, et EXIMER (EXcited diMER) sont employés pour effectuer du Raman résolu dans le temps ou du Raman de résonance. Ces sources lumineuses présentent des caractéristiques adaptées :

  • une puissance de l’ordre de 1 à 2 Watts pour les laser continus et de 10 à 100 MW pour les laser pulsés ;
  • le faisceau lumineux est monochromatique ;
  • la taille du faisceau est faible ( 1-2 mm) et ce dernier peut être réduit jusqu'à quelques µm en utilisant des lentilles ou des objectifs de microscope ;
  • il est possible de couvrir toute gamme spectrale de l'UV jusqu'au visible.
Systèmes d'illumination

Le dispositif d'illumination[modifier | modifier le wikicode]

Le signal Raman étant très faible, le système de collection doit être efficace. Il existe différentes configurations pour le dispositif de collection, comme une géométrie à 90° ou 180° (systèmes d'illumination). La figure montre qu’il est possible d’éviter l’utilisation d'une lentille de collection ce qui est très utile dans le cas d'une excitation dans le domaine de l'UV.


Le monochromateur[modifier | modifier le wikicode]

Le monochromateur permet de séparer les différents composants de la lumière diffusée par l'échantillon. Le principal problème est de supprimer la contribution de la raie Rayleigh car elle est beaucoup plus intense par rapport à la diffusion Raman. Un monochromateur simple ne peut pas supprimer cette lumière « parasite ». Néanmoins, cette contribution peut être fortement diminuée en couplant deux spectromètres. La sortie d'un spectromètre est connectée à l'autre. Ce principe marqua le début des doubles monochromateurs (Figure XX). La séparation du signal Raman de la raie Rayleigh a été améliorée en rajoutant un troisième monochromateur. Les triples monochromateurs ont aussi l'avantage de pouvoir atteindre les vibrations proches de la raie Rayleigh (Figure XX). Ce type de disposition est employé pour une détection multicanale du signal Raman.

Grâce aux avancées technologiques, les nouveaux spectromètres Raman disposent d'un simple spectrographe, d'un détecteur CCD, et de différents filtres permettant de d'éliminer la raie Rayleigh.

La détection[modifier | modifier le wikicode]

La faiblesse du signal Raman est inhérent au phénomène qui est à son origine. En raison de ce problème, la technique Raman a connu des développements difficiles. Les premiers détecteurs utilisaient le principe d'insolation d'une plaque photographique. Les acquisitions nécessitaient de longs temps d'exposition et ensuite, de développer les négatifs. Ces contraintes ne permettaient pas une utilisation routinière de la technique. Mais depuis le développement de système de détection efficaces et sensible, la technique est devenu beaucoup moins contraignante à mettre en œuvre.

Le photomultiplicateur[modifier | modifier le wikicode]

Le photomultiplicateur converti les photons reçus en un signal électrique. Le tube du photomultiplicateur est constitué d'une photocathode qui émet des électrons quand les photons la rencontre. Avec ce type de détecteur, il faut scanner toute la zone spectrale pas à pas. Cette technique d'acquisition est très chronophage et n’est pas adapté à l'analyse de composés instables ou avec une durée de vie courte.

La photodiode[modifier | modifier le wikicode]

Une détection simultanée de toutes les fréquences peut être effectuée par une détection multicanale. Ce type de détecteur consiste en plusieurs lignes de photosensibles. Une photodiode conventionnelle est composé de 1024 diode en ligne sur une longueur de 2,5 cm.