Spectroscopie IRTF ou IR ?

La spectroscopie infrarouge traditionnelle est réalisée en envoyant la lumière infrarouge sur un réseau de diffraction, qui sépare la lumière par longueur d'onde. Lorsqu'une source lumineuse à large spectre brille sur un réseau de diffraction, différentes longueurs d'onde de lumière sortent du réseau de diffraction en se déplaçant dans des directions légèrement différentes.

Cela se produit parce que l'angle de la lumière à la sortie du réseau de diffraction est directement lié à la longueur d'onde de la lumière. Étant donné que cette technique sépare la lumière, dispersant les différentes longueurs d'onde dans l'espace, elle est souvent appelée spectroscopie infrarouge dispersive.. 

Une fois que le faisceau IR est séparé par longueur d'onde, il passe à travers une fente pour réduire le faisceau à une seule longueur d'onde de lumière IR. Le faisceau monochromatique résultant de lumière IR est dirigé vers l'échantillon et l'absorbance de cette longueur d'onde spécifique est détectée.

L'angle du réseau de diffraction est ensuite modifié pour isoler une longueur d'onde différente, et l'absorbance de cette longueur d'onde est mesurée. Ce processus est répété jusqu'à ce que les absorbances de toutes les longueurs d'onde de la lumière IR soient vérifiées. Les données résultantes peuvent ensuite être tracées pour obtenir le spectre IR.

La lumière infrarouge, comme tout rayonnement électromagnétique, se déplace par ondes avec des pics et des creux. L'endroit où ces pics et ces creux se produisent dans l'espace est appelé la phase de l'onde. Deux ondes peuvent avoir des phases différentes, ce qu'on appelle la différence de phase.

La différence de phase entre deux ondes dicte leur interaction, appelée interférence. Si les pics et les creux des deux ondes en interaction correspondent, les ondes sont dites en phase et l'interférence qui en résulte est appelée interférence constructive.

Si les pics d'une onde correspondent aux creux de l'autre onde, les ondes sont déphasées et le résultat est une interférence destructrice. Les ondes qui ne sont pas complètement en phase ou déphasées peuvent également interagir d'une manière qui dépend de la différence de phase entre les deux ondes. La manière spécifique dont les ondes interfèrent s'appelle un motif d'interférence.

La spectroscopie IRTF utilise un interféromètre, tel que l'interféromètre de type Michelson, pour faire interférer la lumière IR. A l'intérieur de l'interféromètre, le faisceau lumineux IR est divisé en deux avec un séparateur de faisceau, dit 'séparatrice', puis dirigé vers deux miroirs. Les faisceaux réfléchissent sur les miroirs puis se rejoignent, où ils se recombinent.

Si les deux faisceaux de lumière parcourent la même distance vers les miroirs et reviennent, les faisceaux seront en phase lorsqu'ils se recombinent, ce qui crée une interférence constructive. Cependant, si l'un des miroirs d'un interféromètre de Michelson peut se déplacer, ce qui signifie que les faisceaux peuvent parcourir différentes distances jusqu'aux miroirs, ce qui crée une différence de phase entre les ondes lorsqu'elles se recombinent. La différence de phase peut être modifiée en changeant la position de ce miroir mobile.

Une fois la lumière recombinée, elle est dirigée vers l'échantillon puis détectée. Le miroir est ensuite déplacé pour créer une différence de phase entre les faisceaux, ce qui entraîne un motif d'interférence différent lorsque les faisceaux se recombinent. Chaque motif d'interférence provoque la présence de différentes longueurs d'onde de lumière infrarouge dans le faisceau recombiné. Le miroir peut être déplacé rapidement dans différentes positions, ce qui permet une détection rapide pour toutes les longueurs d'onde de la lumière IR.

Une fois toutes les données collectées, elles peuvent être tracées, ce qui donne un interférogramme. L'interférogramme montre comment l'échantillon absorbe la lumière IR, mais il est très différent du spectre IR obtenu à partir de la spectrométrie IR dispersive. Un spectre IR décrit l'échantillon qui absorbe chaque fréquence de lumière IR, tandis que l'interférogramme décrit le signal  de l'échantillon en fonction de la position du miroir mobile à l'intérieur de l'interféromètre. Cela signifie que les données d'une mesure IRTF doivent être traitées pour créer un spectre IR comparable. Ainsi, l'absorption de chaque longueur d'onde de la lumière IR doit être extraite des informations contenues dans l'interférogramme.. 

Il existe une fonction mathématique, appelée la transformée de Fourier, qui peut le faire et qui peut être exécutée rapidement à l'aide d'un logiciel informatique. La transformée de Fourier prend des données résultant de l'interférence d'ondes de fréquences différentes et extrait les fréquences des ondes d'origines.

Par exemple, si deux ondes avec des fréquences de 5 cm-1 et 3 cm-1 interagissaient, le modèle d'interférence résultant semblerait très compliqué et il serait difficile de déterminer quelles fréquences de lumière étaient présentes à l'origine. Lorsque la transformée de Fourier est appliquée, le résultat est deux signaux montrant les fréquences des deux ondes originales, l'une à 3 cm-1 et l'autre à 5 cm-1.

Lors d'une mesure IRTF, l'interférogramme contient des informations sur les nombreuses fréquences différentes de la lumière IR qui ont atteint le détecteur après interaction avec l'échantillon. En appliquant la transformée de Fourier à l'interférogramme, les fréquences de la lumière IR absorbées par l'échantillon peuvent être extraites. Il en résulte le spectre IR classique.

Cependant, une étape supplémentaire est effectuée pour s'assurer que le spectre résultant est propre et de haute qualité. Ceci est fait parce que la lumière IR traversant l'échantillon peut également interagir avec des composés dans l'environnement, tels que le dioxyde de carbone ou l'eau, et la lumière IR qui est absorbée par ces composés peut apparaître sur le spectre. Pour éviter cela, un interférogramme de référence est créé en mesurant la lumière IR absorbée sans l'échantillon présent. La transformée de Fourier est ensuite utilisée sur l'interférogramme de référence pour créer un spectre de référence. Ensuite, le spectre IR de l'échantillon peut être divisé par le spectre IR de référence pour obtenir le spectre IR final.

Ce processus donne un spectre de haute qualité avec un excellent rapport signal sur bruit qui peut être obtenu très rapidement, offrant des avantages évidents par rapport à la spectroscopie IR dispersive. Bien que le fonctionnement interne d'un spectromètre IRTF soit complexe, la technique elle-même est extrêmement facile à réaliser, faisant de l'IRTF une technique d'analyse chimique idéale pour un large éventail d'applications.