Chapitres
Principe d'une spectroscopie
L'échantillon à analyser est traversé par un rayonnement lumineux de longueur d'onde allant de 100-800 nm. Les photons issus du rayonnement transfèrent aux composés analysés une énergie qui excite les molécules, atomes ou ions traversés. Ainsi une partie du rayonnement incident est absorbé.
L'étude du rayonnement après passage à travers la substance analysée permet d'obtenir des informations sur sa nature.
L'absorbance
Lorsque la solution est placée dans un spectroscope, elle reçoit un rayonnement d'intensité I0. Comme expliqué précédemment, elle en diffuse une partie et absorbe l'autre. L'intensité (I) du rayonnement issu de la cuve est donc inférieure à l'intensité du rayonnement initial (I0).
Schéma de principe de lecture d'un échantillon en spectroscopie UV-visible.
A partir de ces intensités on définit l' absorbance A :
![\[A=\log\frac{I_{0}}{I}\]](https://www.superprof.fr/ressources/inc/ql-cache/quicklatex.com-f6c26a1f2c6577b11c50fa06d8d6738c_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
L'absorbance est une grandeur sans unité qui est d'autant plus grande que le rayonnement est absorbé.
La loi de Beer Lambert
L'absorbance A mesurée par un spectroscope dépend de plusieurs facteurs :
- La largeur L de cuve de spectroscopie,
- La concentration C de la substance dissoute,
- Le coefficient d'absorption molaire ε, aussi appelé coefficient d'extinction molaire. Il s'agit d'une grandeur qui dépend de l'espèce dissoute en solution, du solvant utilisé et de la longueur d'onde du rayonnement.
Ces grandeurs sont liées par la loi de Beer-Lambert :
![\[A=\epsilon.C.L\]](https://www.superprof.fr/ressources/inc/ql-cache/quicklatex.com-3b6069c9961ded7c870544e8f5873adb_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
- avec ε en L.mol-1.cm-1
- c en mol.L-1
- L en cm
- A sans unité
Etant donné que le coefficient d'absorption molaire dépend de la longueur d'onde du rayonnement, l'absorbance en dépend également.
Le spectre UV-Visible
Afin d'obtenir un spectre UV-visible, la solution est soumise aux rayonnements dont la longueur d'onde est comprise dans l'intervalle 200-400 nm (domaine des ultraviolets) et dans l'intervalle 400-800 nm (domaine de la lumière visible).
Pour chaque longueur d'onde, l'absorbance est mesurée et les données recueillies sont utilisées pour tracer les variations de l'absorbance (en ordonnées) en fonction de la longueur d'onde (en abscisse). Le graphique ainsi obtenu constitue un spectre UV-visible.
Identifier une espèce chimie avec un spectre UV-Visible
Un spectre UV-visible comporte toujours une longueur d'onde (λmax) pour laquelle l'absorbance est maximale (Amax)
Spectre UV-visible d'une molécule.
λmax est une grandeur caractéristique du composé analysé. Elle peu donc permettre d'identifier l'espèce chimique en solution. Cependant des molécules proches peuvent avoir des λmax très similaires.
La forme du spectre a aussi son importance. Il peut exister des maxima locaux (plusieurs pics) également caractéristiques du composé.
La spectrométrie UV-visible n'est pas la plus efficace pour identifier une molécule inconnue. En effet, les spectrométries infrarouge et de masses, ainsi que la RMN, sont plus puissantes. Par contre elle est très utilisée pour :
- L'analyse quantitative d'une molécule connue,
- Le suivi de l'évolution d'une concentration d'une molécule donnée lors d'une réaction chimique,
- Comme détecteur en aval d'une autre méthode d'analyse (CCM, chromatographie liquide).
Analyse quantitative
La spectrométrie UV-visible suivant la loi de Beer-Lambert, cela permet d'utiliser cette technologie pour mesurer la concentration d'une molécule en solution. En effet, dans des conditions données (solvant et cuve fixes), la concentration en solution d'une molécule est proportionnelle à son absorbance.
Elle est donc très utilisée pour l'analyse quantitative de molécules connues.
Dans ce cas, on se place à la longueur d'onde maximal λmax à laquelle le composé absorbe afin de faciliter la mesure. S'il s'agit d'un mélange de molécules, on s'assure que seule la molécule à doser absorbe à la longueur d'onde choisie, qui peut alors être différente de λmax.
Ensuite, on réalise une échelle de teinte à la longueur d'onde choisie. C'est-à-dire que la molécule à analyser est préparée à plusieurs concentrations connues à partir d'un standard commercial, dans les mêmes conditions que ce que l'on souhaite analyser (solvant, cuve...). La droite de l'absorbance en fonction de la concentration en la molécule est alors tracée (régression linéaire).
L'absorbance de l'échantillon est alors reportée sur le graphique et l'on détermine la concentration correspondante.
Suivi de vitesse de réaction
La spectrométrie UV-visible est également une technique de choix pour le suivi de réaction chimique, notamment pour évaluer la vitesse de réaction.
En effet, la réaction chimique peut se dérouler directement dans la cuve et l'appareil effectue des mesures à intervalles réguliers.
Cela évite les lourdeurs et incertitudes des méthodes traditionnelles nécessitant des prélèvements à intervalles réguliers. En effet, même si la réaction est stoppée dans le prélèvement par refroidissement rapide dans un bain de glace (trempe), il est difficile de garantir un arrêt total et instantané de la réaction. De plus, il faut prévoir le dosage de chacun des prélèvements, ce qui peut se révéler fastidieux.
Le déroulé d'une analyse
On dissout la substance à analyser dans un solvant approprié. La solution obtenue est versée dans une cuve destinée à être placée dans le spectroscope. Afin de ne pas fausser les mesures, la cuve et le solvant choisis ne doivent pas absorber les rayonnements émis par le spectroscope.
Les faces de la cuve placée dans le faisceau UV-visible doivent être parfaitement propres et exemptes de rayures. Elle peut être nettoyée au moyen de papier joseph (papier très fin n’entraînant pas de micro-rayures). En versant le mélange dans la cuve, il faut également s'assurer qu'aucune bulle ou impureté pouvant impacter le rayonnement incident ne soit présentes.
Le logiciel dédié à l'appareil permet de commander l'analyse voulue (longueur d'onde, nombre de mesures) et restitue le résultat (spectre, valeurs d'absorbance...) en quelques secondes.
L'appareillage
L'appareillage est assez simple et extrêmement robuste. Il ne nécessite pas d'entretien fréquent à part celui de la cuve (amovible) qui doit être parfaitement propre et sans rayures. Il existe également des cuves jetables pour une plus grande facilité d'entretien.
Il est constitué d'une lampe (source du rayonnement) émettant dans tout le spectre UV-visible (lampe avec filament de tungstène, ou à arc au xenon par exemple), d'un monochromateur et d'un détecteur du rayonnement final. Le tout est relié à un ordinateur qui en permet le contrôle.
Le monochromateur permet de sélectionner les longueurs d'onde de travail. Il est basé sur le principe d'un réseau de diffraction permettant de séparer les longueurs d'onde à la manière d'un prisme.
Pour un bon fonctionnement, la lampe doit être régulièrement changée. Le réseau de diffraction doit être vérifié afin de s'assurer qu'il n'y a pas un décalage entre la longueur d'onde demandée et la longueur d'onde réelle.
Pour ce faire au moins une fois par an, des filtres très précis sont placés à la place de la cuve et l'on vérifie que la longueur d'onde détectée correspond bien à la longueur d'onde théorique.
La couleur des espèces chimiques
Si le maximum d'absorbance correspond à une longueur d'onde appartenant au domaine des ultraviolets (200 - 400 nm) alors celle-ci est incolore.
Si λmax appartient au domaine du visible (400 - 800 nm) alors l'espèce chimique possède la couleur complémentaire de celle correspondant à λmax.
Les molécules conjuguées, c'est à dire possédant une alternance de simples et doubles liaisons, les aldéhydes et les cétones absorbent très bien les UV. Ceci permet de pouvoir facilement détecter ce type de molécule par spectrométrie UV après une CCM ou une chromatographie liquide notamment.
Applications industrielles
Ainsi qu'expliqué précédemment, une lampe UV-Visible ou un spectromètre UV-visible est fréquemment placé à la suite d'un système d'analyse destiné à séparer les molécules. En effet, la spectrométrie UV-visible est principalement efficace sur des composés purs, il est donc préférable de séparer les molécules au préalable.
Ainsi, après une CCM, les molécules invisibles à l'oeil nu ne permettent pas une interprétation directe. Aussi, la plaque est placée sous une lumière UV, et certaines molécules vont apparaître car absorberont les rayons incidents.
Les taches en question sont alors entourées pour pouvoir effectuer l'interprétation ensuite. Sans cette étape supplémentaire, la CCM n'est pas utilisable sur ces molécules.
Exemple de révélation à la lumière UV d'une CCM de boisson contenant de la caféine.
C'est le cas pour l'analyse de la caféine dans du café, le thé, ou encore des sodas bien connus.
Dans certains cas, la molécule analysée n'absorbe pas dans l'UV-visible, mais il est possible de lui greffer, par réaction chimique, un composé chromophore qui permettra alors sa détection.
La spectrométrie UV-visible est également utilisée dans le cadre de certains dosages qui produisent un complexe coloré. C'est le cas pour l'analyse des polyphénols, par exemple. Les polyphénols sont des molécules complexes présentes dans la plupart des végétaux, notamment le raisin. On en retrouve en grande quantité dans le vin. Comme ils sont réputés pour leurs effets bénéfiques sur la santé, la nécessité de les doser est fréquente.
Ainsi, un mélange suspecté de contenir des polyphénols est mis en contact avec un agent complexant produisant, après réaction avec les polyphénols présents, une couleur bleu.
La réaction n'est pas entierement spécifique aux polyphénols, ainsi, d'autres molécules conjuguées (anthocyanes) peuvent également complexer avec cette agent. Cependant, la longueur d'onde d'étude (765 nm) est spécifique au complexe avec les polyphénols. Les autres complexes formés n'absorbent pas la lumière de cette longueur d'onde.
L'intensité de la couleur est proportionnelle à la quantité de polyphénols présents dans le mélange initial. Par comparaison avec une échelle de teinte d'un complexe formé avec un polyphénol standard commercial, la concentration en polyphénols est retracée.
Dans l'industrie du vin, un échantillon de vin est simplement analysé à 480 nm car à cette longueur d'onde, l'absorbance est proportionnelle à la concentration en polyphénols. Il est ainsi possible d'obtenir un indice de polyphénols, au lieu d'une concentration en tant que telle. Cependant, cette donnée est suffisante pour comparer des millésimes par exemple.
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Invité
Une solution incolore absorbe t-elle les radiations?
Editor
Bonjour Fabrice,
Tout dépend du type de radiations, mais une solution incolore peut bien absorber des radiations.
Invité
Dans le cas dun mélange de polluant industriel inconnu qu’est ce qu’on peut faire pour identifier les différents composés du mélange??
Et merci
Editor
Bonjour,
Afin d’identifier les composants d’un mélange, le plus simple est encore de réaliser une chromatographie sur couche mince (CCM). Cette méthode permet de mettre en évidence les différentes espèces chimiques présentes dans un mélange.
Soyez cependant prudent : si ce mélange est polluant, il y a de fortes chances qu’il soit aussi dangereux pour l’Homme. Respectez les précautions de manipulations et effectuez cette opération avec un spécialiste en chimie.