Compréhension des éléments dispersant la lumière dans un spectromètre
C’est un fait bien connu que la lumière blanche ordinaire comprend un mélange de différentes longueurs d’onde ou couleurs. Nous connaissons tous les différentes couleurs de l’arc-en-ciel qui sont en fait différentes couleurs comprenant de la lumière blanche. La lumière blanche est rarement utilisée en tant que telle dans l’analyse spectroscopique bien que la source de lumière visible soit un composant commun d’un spectromètre UV-VIS. La lumière blanche non traitée d’une telle source fournit peu d’informations utiles sur la composition chimique des matériaux.
Qu’est-ce qu’un spectromètre ?
Un spectromètre est un instrument utilisé pour mesurer la variation de caractéristiques physiques sur une plage donnée, comme la dispersion de la lumière. Il peut mesurer le spectre du rapport masse sur charge dans un spectromètre de masse, les différentes fréquences de résonance nucléaire dans un spectromètre RMN ou la variation de l’émission et de l’absorption de la lumière – avec une longueur d’onde dans un spectromètre optique.
Le type de spectromètre le plus couramment utilisé pour la recherche est optique, comme la dispersion de la lumière à travers un prisme. Si quelqu’un mentionne “spectromètre” sans ajouter de qualificatif, il fait généralement référence à un spectromètre optique.
Comment fonctionne un spectromètre optique ?
L’objectif d’un spectromètre optique, comme un spectromètre à prisme, est de mesurer l’absorption, la diffusion et la réflexion du rayonnement ainsi que l’émission de rayonnement électromagnétique à partir d’un échantillon; l’émission peut comprendre la phosphorescence, la fluorescence et l’électroluminescence.
L’analyse spectroscopique consiste à observer le rayonnement électromagnétique qui tombe dans la région optique du spectre électromagnétique ; cela inclut les lumières qui s’étendent dans les régions de longueur d’onde visible, ultraviolette et infrarouge d’un spectre.
Pour obtenir un maximum d’informations, l’émission de lumière ou l’interaction doit être indiquée comme une caractéristique générale et une fonction normale de la longueur d’onde. Si la section de longueur d’onde précise n’est pas importante, vous pouvez opter pour des spectromètres à faible coût ; ici, les filtres optiques vont isoler la longueur d’onde en fonction de la région intéressée.
Si la longueur d’onde précise est une priorité, vous voudrez utiliser un élément dispersif qui parvient à séparer la lumière en un spectre de génération et des longueurs d’onde constitutives.
Tous les spectromètres modernes incluent la dispersion de la lumière, c’est un réseau de diffraction qui a des interférences destructives et constructives. Ces interférences sont utilisées pour séparer la lumière polychromatique, spatialement, sur le réseau.
Un monochromateur est une unité qui est utilisée pour sélectionner une longueur d’onde lumineuse spécifique à partir d’une source lumineuse polychromatique ; les réseaux de diffraction sont des caractéristiques essentielles dans un monochromateur. Le monochromateur fait tourner le réseau de diffraction pour manipuler et modifier la longueur d’onde afin qu’elle s’aligne et passe à travers la fente de sortie.
Tous les spectrophotomètres ont des monochromateurs d’excitation, ils sont utilisés pour sélectionner la longueur d’onde de sortie souhaitée pour atteindre l’échantillon de source de lumière blanche. Les spectres sont mesurés en modifiant le signal en fonction de la longueur d’onde d’excitation et en balayant le monochromateur.
Il existe deux approches utilisées pour détecter la lumière émise par un échantillon. La première approche comprend un monochromateur d’émission, il prend la source lumineuse d’un échantillon et le monochromateur sélectionne la longueur d’onde qui atteint le détecteur.
La seconde approche comprend la détection simultanée d’un spectre de lumière dispersée ; cela se fait en utilisant un détecteur à matrice, appelé spectrographe.
Types de spectromètres optiques
Une fois que vous avez compris ce qu’est un spectromètre et le rôle qu’il joue dans la dispersion de la lumière, nous pouvons maintenant en apprendre davantage sur les différents types de spectromètres, leurs conceptions de base et leurs rôles. Les trois spectromètres courants comprennent les spectromètres Raman, les spectrofluorimètres et les spectrophotomètres.
Spectromètres Raman
Le spectromètre Raman est utilisé pour l’analyse spectroscopique de la lumière d’un échantillon. La lumière blanche et l’excitation du monochromateur à prisme sont remplacées par un laser ; il y a deux raisons à cela.
Premièrement, ‘Raman’ est un effet de diffusion et la lumière n’est pas absorbée par l’échantillon. Par conséquent, vous n’aurez pas besoin d’une source lumineuse accordable à large bande pour correspondre aux caractéristiques d’absorption. Deuxièmement, l’effet Raman est plus faible que la fluorescence et les sources qui incluent un flux de photons élevé.
Spectrofluorimètre
Ceci est également connu sous le nom de spectromètre de fluorescence/photoluminescence et est utilisé pour mesurer l’émission de fluorescence d’un échantillon. Il existe une convention générale selon laquelle le spectrofluorimètre est un instrument de paillasse compact et sa taille est similaire à celle du spectrophotomètre.
Le côté excitation de cet appareil est similaire au spectrophotomètre, ce qui signifie qu’il comprend une source de lumière blanche et un monochromateur d’excitation. Les lampes à arc sont utilisées comme source lumineuse car elles ont une plage de luminosité élevée qui peut être utile pour mesurer toute émission de fluorescence faible.
Spectrophotomètre
Ce terme peut être utilisé pour décrire une variété d’outils qui sont utilisés pour mesurer la lumière, la définition exacte dépend du domaine scientifique ou de l’industrie. Le terme « photo » est utilisé pour le spectromètre car il aide à la mesure quantitative de l’intensité lumineuse avec la longueur d’onde.
La mesure commune prise par cet instrument mesure le spectre de l’échantillon d’absorption. C’est là que le balayage du monochromateur d’excitation a lieu, il surveille également le changement d’intensité lumineuse lorsqu’il est transmis à travers un échantillon.
Comprendre la dispersion de la lumière dans un spectromètre
Le faisceau incident de lumière blanche doit être résolu en ses longueurs d’onde constitutives avant de pouvoir fournir des informations chimiques pertinentes sur la structure moléculaire et la composition des matériaux. La propriété de base de l’absorbance maximale à des longueurs d’onde spécifiques par différentes entités chimiques est la base de l’estimation chimique dans les analyses de laboratoire de routine utilisant les techniques d’analyse spectroscopique optique rapide.
Prismes
Un prisme est un bloc triangulaire de verre ou de quartz avec des surfaces polies lisses qui est utilisé pour disperser le faisceau lumineux incident dans ses longueurs d’onde ou couleurs constitutives.
Le verre absorbe la lumière dans la région UV et n’est pas utilisé pour les études d’absorbance dans la gamme de longueurs d’onde d’environ 200 à 350 nm. D’autre part, le quartz peut être utilisé à la fois dans les régions UV et visible. Cependant, bien que les prismes offrent un milieu de dispersion moins cher, ils souffrent d’une dispersion non linéaire à des longueurs d’onde plus longues, c’est-à-dire à l’extrémité supérieure dans la région visible, disons, de 600 à 800 nm et les longueurs d’onde dispersées semblent être rapprochées.
Caillebotis
Les réseaux sont des surfaces planes sur lesquelles sont gravées des rainures et la distance entre les rainures ou lignes gravées est de l’ordre des longueurs d’onde de la lumière à disperser. Les réseaux sont plus coûteux que les prismes mais offrent un avantage car la lumière dispersée est exempte de toute distorsion non linéaire sur les longueurs d’onde dispersées.
Monochromateur
Un monochromateur est un agencement d’éléments optiques utilisés dans un spectromètre pour isoler les bandes de longueur d’onde souhaitées pour effectuer une analyse spectroscopique.
La configuration monochromatique couramment utilisée, également connue sous le nom de monochromateur à réseau de Czerny-Turner, est décrite brièvement. Les principaux composants comprennent :
Fente d’entrée – la lumière à large bande de la source lumineuse est collimatée en un faisceau étroit en fonction de la largeur de la fente d’entrée qui est ensuite dirigée vers un miroir concave qui réfléchit et étale le faisceau sur la surface du réseau.
Réseau – Le réseau disperse le faisceau incident dans ses longueurs d’onde constitutives. Un réseau fixe disperse le faisceau incident selon un motif défini. D’autre part, le réseau peut être tourné sur son axe central pour étaler le diagramme de diffraction afin de couvrir de larges bandes de longueur d’onde. Le faisceau dispersé réfléchi est dirigé vers le deuxième miroir concave
Fente de sortie – la lumière dispersée réfléchie atteint la fente de sortie située au niveau du plan focal du deuxième miroir concave. La largeur de la fente de sortie peut être fixe ou peut être modifiée pour obtenir l’intensité lumineuse accrue pour des déterminations sensibles. Cependant, la largeur de la fente de sortie doit être optimisée pour tirer le meilleur parti d’une intensité de faisceau plus élevée et en même temps pour éviter l’étalement sur la bande de longueurs d’onde du faisceau isolé.
Afin d’isoler la bande de longueur d’onde d’intérêt et de sélectionner la largeur optimale de la fente de sortie, il est toujours utile d’effectuer des mesures d’absorbance d’essai avant de prendre les observations finales dans des conditions optimales.
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