Guide de la spectroscopie infrarouge

La lumière infrarouge peut être divisée en trois régions : le proche infrarouge (NIR), le moyen infrarouge (MIR) et l'infrarouge lointain (FIR). Le NIR a la longueur d'onde la plus courte avec des nombres d'onde plus élevés tandis que le FIR a la longueur d'onde la plus longue avec des nombres d'onde plus faibles.

En règle générale en spectroscopie IR, la gamme du MIR est le type de lumière IR la plus utilisé. La lumière infrarouge dans cette gamme est utile car elle coïncide avec une propriété importante des composés chimiques : leurs vibrations.

Les atomes des composés chimiques bougent et vibrent constamment de différentes manières. Même dans une simple molécule comme l'eau, il y a six modes de vibrations différents : Elongations symétrique et antisymétrique, déformation avec le cisaillement, balancement, torsion et rotation plane.

Chacune de ces vibrations se produit à une fréquence différente qui est spécifique à la liaison chimique et au composé. Comme mentionné précédemment, ces fréquences correspondent aux fréquences de la lumière dans la région MIR du spectre électromagnétique.

Lles composés chimiques absorbe la lumière infrarouge qui excite les vibrations dans les molécules à différentes fréquences.

Par exemple, les élongations symétriques et antisymétriques pour l'eau se produisent dans la région de 2700 à 3700 cm-1 tandis que la vibration de déformation se produit autour de 1650 cm-1, de sorte que l'eau absorbe ces énergies de lumière infrarouge.

Si de la lumière infrarouge passe à travers de l'eau, nous pouvons utiliser un détecteur pour déterminer quelles fréquences de lumière ont été absorbées car ces fréquences seront "manquantes" dans le faisceau de lumière infrarouge d'origine.

Une fois la lumière infrarouge détectée, nous pouvons tracer les informations obtenues à partir du détecteur pour créer le spectre infrarouge. Le spectre montre les différentes fréquences de la lumière qui ont été absorbées par l'échantillon et par conséquent quelles vibrations ont été excitées lorsque la lumière IR a traversé l'échantillon.

Pour l'échantillon d'eau, le spectre présente des signaux aux nombres d'onde correspondant aux fréquences de l'élongation symétrique et antisymétrique, ainsi que la vibration de déformation.

Comme chaque espèce chimique aura ses vibrations propres et à des fréquences différentes, le spectre résultant de chaque composé sera unique. Cela signifie que la spectroscopie IR crée une « empreinte chimique » qui peut être utilisée pour identifier et quantifier presque toutes les espèces chimiques.

Au fil des années, des informations sur un grand nombre d'espèces chimiques ont été rassemblées dans des bibliothèques spectrales, ce qui rend la spectroscopie IR extrêmement simple, même pour ceux qui ne connaissent pas la théorie sous-jacente.

Bien que la spectroscopie IR soit devenue un terme quelque peu général pour la technique d'analyse chimique où les vibrations moléculaires sont détectées à l'aide de la lumière IR, la technique la plus fréquemment utilisée est la spectroscopie IR à transformée de Fourier (IRTF ou FT-IR).

Historiquement, la spectroscopie IR était réalisée en vérifiant individuellement chaque fréquence de la lumière IR pour voir si elle était absorbée par l'échantillon à l'aide d'un monochromateur. Comme vous pouvez l'imaginer, ce processus prenait beaucoup de temps!

Cette technique a été remplacée par la spectroscopie IRTF, qui peut vérifier toutes les longueurs d'onde de la lumière IR à la fois à l'aide d'un interféromètre.

Cette technique est non seulement beaucoup plus rapide que la spectroscopie IR mais aussi plus précise avec un meilleur rapport signal sur bruit. Cependant, cette technique produit un ensemble de données différent de celui de l'expérience de spectroscopie IR traditionnelle, de sorte qu'une opération mathématique, appelée transformée de Fourier, est utilisée pour convertir les données dans le spectre IR familier obtenu à partir de la spectroscopie IR.

La transmission est la technique « historique » utilisée en spectroscopie IR. Lors de la détection en transmission, la lumière IR est " asborbée" par l'échantillon. Pour que la transmission soit effective, le signal IR doit traverser complètement l’échantillon, ce qui nécessite souvent que l’échantillon soit préparé d’une manière spécifique. Si l’échantillon est trop épais trop de lumière IR sera absorbée par l’échantillon, ce qui provoque une absorption totale. L'absorbance totale entraîne une mauvaise qualité spectrale, avec des pics difficiles à distinguer.

Pour éviter une absorbance totale, l'échantillon est dilué, ce qui permet à la lumière IR de traverser l'échantillon sans être trop fortement absorbée. La substance utilisée pour diluer l’échantillon doit être transparent en IR. Sinon, la substance utilisée pour diluer l’échantillon apparaîtrait également sur le spectre résultant.

Pour analyser un échantillon liquide, celui-ci est dilué avec un solvant. Le choix habituel est le tétrachlorure de carbone (CCl4) qui n'est plus utilisé de nos jours pour sa toxicité.

Pour analyser un échantillon solide, le solide doit être broyé et mélangé avec un autre solide, généralement du bromure de potassium (KBr) qui n'absorbe pas la lumière dans le Moyen IR. Le mélange obtenu est pressé sous forme de pastille à analyser.

Alternativement, l’échantillon peut être tranché très finement et placé sur une fenêtre KBr. Cette préparation d'échantillon ne peut être ignorée que si l'échantillon est extrêmement fin (< 15 µm)..

Le processus de préparation des échantillons pour la mesure en transmission prend beaucoup de temps. De plus, cette approche détruit l’échantillon. Par conséquent, la mesure en transmission n’est utilisée que pour des applications très spécifiques telles que l’étude de films polymères, de protéines et l'analyse de l’huile dans l’eau.

Cependant, la transmission est largement utilisée en microscopie IRTF dans le domaine de la médecine légale, ainsi que lors de l'analyse d'échantillons de tissus et de microplastiques.

L'ATR est actuellement la technique la plus utilisé par raport à la transmission. Cette technique de mesure est utilisée car elle implique une préparation minimale des échantillons et est non destructive.

Pour utiliser l'ATR, l'échantillon est simplement déposé sur un cristal généralement constitué de diamant, de germanium ou de séléniure de zinc. La lumière IR est dirigée à travers le cristal où elle est partiellement absorbée par l'échantillon. La lumière IR traverse ensuite à nouveau le cristal et est détectée. 

Avec cette technique, la lumière n’interagit qu’avec les premiers microns en surface de l’échantillon. Étant donné que la lumière IR ne traverse pas complètement l’échantillon comme en transmission, peu ou pas de préparation d’échantillon est nécessaire pour créer un spectre IR. Il en résulte non seulement une technique extrêmement simple à mettre en œuvre, mais également une qualité spectrale excellente, quel que soit l’échantillon analysé.

Les spectres réalisés en ATR et en transmission sont légèrement différents en raison des différences optiques entre les deux techniques. Ces différences spectrales sont dues à la manière dont les différentes longueurs d'onde de la lumière IR interagissent avec l'échantillon, étant donné que la lumière n'est que partiellement absorbée par la technique en ATR. Cependant, les spectres restant assez similaires, leurs différences peuvent facilement être corrigée à l'aide d'un traitement informatique, permettant une comparaison directe des spectres obtenus par différentes techniques de mesure..

Une technique complémentaire est la réflexion. Par le biais de cette technique, la lumière IR qui est réfléchie par la surface de l’échantillon est analysée. Cela rend la spectroscopie IR par réflexion utile pour examiner des échantillons solides difficiles ou impossibles à analyser en transmission ou ATR. Il existe de nombreuses façons d’effectuer une spectroscopie IR par réflexion en fonction de l’échantillon analysé.

• L'Absorption-Réflexion ou « transflectance » la lumière IR traverse l'échantillon très fin qui est ensuite réfléchie par un substrat. Cette technique est utile pour analyser des tissus ou des revêtements fins.
• La réflexion spéculaire analyse la lumière IR réfléchie par une surface réfléchissante, ce qui est utile pour examiner de grands échantillons comme des polymères, des pierres précieuses ou même des œuvres d'art avant la restauration.
• La réflexion diffuse, dans ce cas la lumière est diffusée sur la surface d'un échantillon, qui est désignée comme la technique de spectroscopie à transformation de Fourier infrarouge à réflectance diffuse (DRIFTS).

La DRIFTS nécessite une préparation minutieuse des échantillons, elle est donc plus difficile à réaliser, mais elle donne d'excellents résultats quantitatifs lors de l'analyse d'échantillons solides tels que des sols, du béton ou des catalyseurs.

Comme l'ATR, les différences entre la réflexion et les autres techniques de mesure entraînent des spectres différents en raison d'un interaction différente entre la lumière IR et l'échantillon. Les différentes méthodes de détection par réflexion impactent différemment les spectres, mais toutes ces différences peuvent être corrigées à l’aide d’un calcul mathématique traité en informatique.

À la base, la spectroscopie IR, deux utilisations principales : identification et quantification.

La spectroscopie IR est utilisée depuis longtemps pour l’analyse qualitative, car un spectre IR est comme une « empreinte chimique » d’une espèce chimique. Cela fait de la spectroscopie IR une technique puissante pour identifier les substances présentes dans un échantillon, donc un outil d'identification chimique précieux non seulement en laboratoire, mais dans pratiquement n'importe quelle industrie. La spetroscopie IRTF peut être utilisé à des fins d'identification dans les domaines de la médecine légale, du recyclage du plastique, de l'analyse des défauts, du contrôle qualité et bien plus encore.

La spectroscopie IRTF peut également être utilisé pour quantifier les différentes constituants d'un échantillon. Les composants individuels peuvent absorber plus fortement la lumière infrarouge si la concentration de ce composant est importante. À l’aide d’un logiciel informatique, la concentration de chaque composant peut être facilement déterminée en analysant la quantité de lumière infrarouge absorbée, cela apporte des résultats quantitatifs extrêmement précis, en fonction de la nature de l’échantillon.

La spectroscopie IRTF est utile pour les applications quantitatives dans des domaines tels que l'industrie pharmaceutique, les sciences du sol et la recherche biologique sur les protéines.

Le domaine de la spectroscopie IR trouve son origine dans la découverte de la lumière infrarouge au XIXe siècle. L'astronome anglo-germanique Sir William Herschel a émis l'hypothèse que différentes couleurs de lumière avaient des températures différentes. Il a testé cette hypothèse en utilisant un prisme pour séparer la lumière et en vérifiant la température de chaque couleur avec un thermomètre.. 

Alors qu’il déplaçait le thermomètre à travers les couleurs de lumière allant du violet au rouge, il remarqua que la température augmentait. Puis il remarqua quelque chose de curieux. Lorsqu’il plaça le thermomètre juste au-delà de la lumière rouge, la température monta encore plus. Il a proposé qu’il existait une autre forme de lumière invisible au-delà de la lumière rouge, qu’il a appelée « rayons calorifiques » (du mot latin « calor », signifiant chaleur). Des expériences plus poussées prouvèrent que c'était tout à fait vrai : il avait découvert une nouvelle forme de lumière que nous appelons aujourd'hui la lumière infrarouge.

Au début des années 1900, William Weber Coblentz a découvert que la lumière infrarouge interagissait avec la matière et a réalisé le potentiel de l'utilisation de la lumière infrarouge dans l'analyse chimique. Coblentz a créé les premiers spectres IR et rassemblé les données nécessaires pour caractériser une large gamme de composés. La création d’un spectromètre IR commercialement viable a posé plusieurs défis au départ, mais l’un d’entre eux a finalement été commercialisé dans les années 1940. La spectroscopie IR a été continuellement améliorée tout au long des années 1900, le FT-IR révolutionnant la technique vers 1970 et l'ATR l'améliorant à nouveau à la fin des années 1980.

Bien que la spectroscopie IR existe depuis longtemps, elle reste une technique d’analyse chimique incroyablement puissante avec de nouvelles utilisations et de nouvelles avancées mises en œuvre chaque année. Par exemple, les développements récents de la technologie laser MIR permettent d'appliquer facilement la spectroscopie IR à des domaines d'étude entièrement nouveaux, tels que l'étude des changements structurels des molécules biologiques. La spectroscopie IR a également été couplée à des dizaines d’autres techniques, ce qui rend son impact en tant qu’outil d’analyse chimique encore plus répandu. La facilité d'utilisation et les applications étendues de la spectroscopie IR garantissent qu'elle continuera à trouver de nouvelles applications passionnantes dans les années à venir.

La spectroscopie IR n’est pas le seul moyen d’utiliser la lumière Infrarouge et les principes qui sous-tendent la spectroscopie IRTF. Il existe également des microscopes IRTF qui combinent la technologie des microscopes traditionnels avec la spectroscopie, créant ainsi une technique de caractérisation et d'imagerie puissante.

La spectroscopie Raman est une autre technique d'analyse chimique qui exploite les vibrations chimiques d'une manière très différente, en fournissant des informations détaillées sur la structure des échantillons analysés. L'utilisation de lasers IR est un ajout récent à la spectroscopie IR, permettant d'effectuer une spectroscopie analytique détaillée pouvant donner un aperçu de nouveaux domaines de recherche.

Qu'est ce la lumière Infrarouge?

La lumière infrarouge (IR), ou plus précisément le rayonnement infrarouge, est un rayonnement électromagnétique dont les longueurs d'onde sont plus longues que celles de la lumière visible. Elle est donc invisible à l’œil humain mais peut être perçue sous forme de rayonnement thermique. Fait amusant : plus de la moitié de l’énergie rayonnée par le soleil atteint la terre sous forme d’infrarouge.

Comment la lumière infrarouge interagit-elle avec les matériaux?

Lorsque le rayonnement infrarouge est dirigé vers la matière, il peut stimuler le mouvement des molécules et des liaisons atomiques. Ce mouvement peut prendre diverses formes, comme une rotation ou une vibration de la liaison chimique. En fonction de la façon dont la molécule est excitée, nous pouvons obtenir des informations sur la structure et l’identité du matériau.

La lumière infrarouge peut-elle analyser tous les matériaux?

En général, oui, les substances organiques et inorganiques peuvent être étudiées par le rayonnement infrarouge. La condition fondamentale pour l’analyse par infrarouge est que le matériau absorbe cette énergie. Toutefois, certaines substances, notamment les métaux et les gaz monoatomiques (par exemple les gaz rares), ne peuvent pas être analysés.

Quels matériaux sont couramment analysés?

En particulier pour les substances organiques, la spectroscopie IR est un outil fréquemment utilisé pour obtenir de nombreuses informations. Cela inclut l'identification de polymères, de médicaments, de produits pharmaceutiques ou de produits chimiques industriels ainsi que la détermination de teneurs telles que l'eau dans l'huile. La spectroscopie IR est très flexible et ses applications sont si nombreuses que vous pouvez trouver des utilisateurs IR dans tous les domaines industriels et de recherche.

Quel type d'analyse est possible?

Avec le rayonnement Infrarouge, il est possible de savoir de quoi est composé l'échantillon, mais aussi quelle quantité d'un certain ingrédient ou composant est présent. L'analyse qualitative est l'application la plus courante de la spectroscopie IR, utilisée principalement dans le contrôle qualité des matières premières, l'analyse des défauts et dans la recherche scientifique. L'analyse quantitative est largement utilisée dans les processus industriels pour évaluer les paramètres de production.

Dois-je être un expert pour utiliser la spectroscopie IR?

Définitivement pas. Les spectromètres IR sont plus faciles à utiliser aujourd’hui que jamais. Il existe la plupart du temps des solutions logicielles simples qui permettent à des non-experts d'effectuer des analyses IR de manière simple. Même l’analyse peut être automatisée, afin que n’importe qui puisse devenir spectroscopiste !

Combien de temps prend l'analyse Infrarouge ?

Cela dépend fortement de la problématique étudiée. Mais une simple vérification de l’identité d’une substance chimique ne prend guère plus d’une minute.

Qu'est-ce que la Réflexion Totale Atténuée (ATR)?

L'ATR est une technique d'échantillonnage qui permet d'obtenir des informations IR basée sur les lois de l'optique géométrique (loi de Descartes). Ce principe utilise la lumière Infrarouge dirigée vers un cristal d'un matériau transparent en IR (par exemple, cristal diamant). Le rayonnement IR interagira ensuite avec l'échantillon et le matériau. Regardez notre vidéo sur les bases de l'ATR pour en savoir plus !

Dans quel cas puis-je utiliser l'ATR ?

Dans beaucoup de situation, car l'ATR est une approche véritablement universelle. Qu'il soit solide ou liquide, organique ou inorganique, il vous suffit de prélever votre échantillon et de le placer sur le cristal. Il n’est pas nécessaire de couper, diluer ou préparer votre échantillon. Au cours des dernières décennies, l’ATR est devenue la technique standard en spectroscopie IR.

Qu'est ce que la transmission?

Différent de l’ATR, cette méthode nécessite que la lumière infrarouge pénètre dans l’échantillon. Cela signifie que l'échantillon doit être soit très fin, soit dilué. Pour la dilution, les échantillons sont souvent mélangés avec du bromure de potassium (KBr) et pressés sous forme de pastille. En revanche, des échantillons très fins sont réalisés à l'aide d'un microtome puis placés sur une fenêtre KBr. Ces préparatifs nécessitent beaucoup de temps et d’efforts.

Quand utiliser la transmission?

Aujourd’hui, la transmission n’est nécessaire que pour des questions analytiques très précises. Il s'agit notamment de la quantification de composants faiblement concentrés dans les liquides ou des applications en microscopie IR. Dans certains secteurs industriels, il existe également des procédures standardisées qui nécessitent des mesures de transmission (par exemple Pharma).

Qu'est ce que la réflectance?

La réflexion est la troisième technique principalement utilisée en spectroscopie IR. Elle est basée sur la réflexion de la lumière Infrarouge et permet d'obtenir des informations sur la surface des matériaux. Si la surface en question ne peut pas être examinée directement, une dilution avec le KBr est souvent nécessaire. Il est également possible de déposer des échantillons très fins sur des miroirs métalliques (transflectance).

Quand utiliser la réflectance?

En raison des exigences particulières des mesures en réflectance, il est utilisé pour des objectifs analytiques très spécifiques. Il est par exemple possible d'examiner des œuvres d'art de valeur de manière totalement non destructive et minutieuse afin de permettre leur restauration.