Qu'est-ce que la spectroscopie dans le proche infrarouge?
Le rayonnement infrarouge (IR) a été détecté pour la première fois en 1800 par Friedrich Wilhelm Herschel. Il voulait savoir s'il existait une couleur de lumière spécifique pouvant être associée à la chaleur de la lumière du soleil. Herschel utilisa un prisme pour séparer les couleurs de la lumière et tint un thermomètre comme détecteur des différentes couleurs de l'arc-en-ciel ou couleurs spectrales. C'est au-delà de l'extrémité rouge du spectre visible qu'il a trouvé la quantité maximale de chaleur. Comme il n'y avait pas de lumière visible, Herschel supposa qu'il devait exister une forme invisible de lumière au-delà de l'extrémité rouge du spectre visible. Ce rayonnement, qui lui était invisible, il l'appela rayonnement infrarouge (IR).
Nous savons aujourd'hui que le rayonnement infrarouge peut être divisé encore davantage. Le rayonnement infrarouge est composé de plusieurs gammes dites spectrales. Pour rendre les différentes plages spectrales utilisables, différentes sources de rayonnement et composants optiques sont intégrés dans un spectromètre.
L'un des types de spectromètres IR les plus polyvalents et les plus utiles est le spectromètre proche infrarouge (NIR), qui couvre les longueurs d'onde juste au-delà du visible, c'est-à-dire de 780 nm à 2500 nm.
Théorie de la spectroscopie moléculaire
La spectroscopie est une technique d'analyse qui repose sur l'interaction du rayonnement électromagnétique avec la matière afin de déterminer sa composition chimique et sa structure.
Les données obtenues sont présentées sous forme de spectre, défini comme une représentation graphique de l'intensité détectée du rayonnement électromagnétique en fonction de la longueur d'onde.
En spectroscopie IR, les molécules absorbent le rayonnement infrarouge à des fréquences spécifiques, induisant des transitions de l'état fondamental vers des états vibrationnels excités. Ces transitions sont associées à des mouvements vibrationnels des liaisons moléculaires, qui se produisent principalement selon deux modes fondamentaux : l'étirement et la flexion.
En général, les spectres NIR présentent des bandes plus larges provenant du chevauchement des harmoniques et des vibrations combinées qui se produisent dans les molécules plus complexes. Les liaisons qui peuvent généralement être "vues" dans les spectres NIR sont H-C, H-O, H-S et H-N. Les matières organiques contiennent souvent ces liaisons H moléculaires. C'est pourquoi les matériaux biologiques et organiques sont souvent analysés par spectroscopie NIR.
Conception générale du spectromètre et composants optiques
Un spectromètre sert à mesurer l'intensité de la lumière (rayonnement électromagnétique) sur différentes longueurs d'onde, ce qui permet d'observer et d'analyser séparément les différents composants de la lumière. Tout spectromètre est composé de quelques composants optiques essentiels : la lumière émise par une source (source lumineuse) est d'abord collimatée en un faisceau parallèle (optique de collimation), puis traverse un élément dispersif (réseau de diffraction), et enfin, le spectre est focalisé par l'optique sur un détecteur (réseau de photodiodes).
Source de lumière: La source de lumière émet le rayonnement infrarouge spécifique. Différentes sources lumineuses sont utilisées pour les différents domaines spectraux. Pour la spectroscopie NIR, on utilise une lampe halogène.
Élément de diffraction / réseau: Un type de prisme est utilisé pour diviser la lumière émise par la source lumineuse dans les différentes gammes spectrales. Les spectromètres NIR de Polytec utilisent un réseau de diffraction. Un réseau est un élément optique qui diffracte (divise) le rayonnement électromagnétique en fonction de la différence d'énergie. Un type commun est une surface réfléchissante avec un réseau régulier de lignes/rainures gravées dans la surface. Le nombre de lignes, le profil et la profondeur déterminent la gamme spectrale, l'efficacité, la résolution et les performances globales. Pour un réseau de lignes, les lignes sont souvent gravées dans un substrat en verre avec un revêtement réfléchissant à l'aide d'un outil à pointe de diamant.
Le deuxième type de réseau important est le réseau holographique de phase en volume. Les réseaux holographiques sont produits par un processus photolithographique, généralement dans un matériau de matrice (gélatine bichromatée) pris en sandwich entre des couvertures transparentes (verre). La diffraction se produit en raison d'un changement périodique de l'indice de réfraction à épaisseur constante.
Détecteur / réseau de photodiodes: Dans le spectromètre, un réseau de photodiodes est utilisé comme unité de détection pour mesurer l'intensité lumineuse. Une matrice de photodiodes est un composant semi-conducteur. L'élément détecteur est constitué d'un groupe de photodiodes disposées linéairement ainsi que d'un circuit d'alimentation et de lecture. Le matériau semi-conducteur utilisé pour ces diodes dépend de la sensibilité spectrale pour la gamme de longueurs d'onde requise. Pour le spectre du proche infrarouge et la plage spectrale de 900 à 2500 nm, on utilise l'InGaAs (arséniure d'indium et de gallium) ou le PbS (sulfure de plomb).
Constructions des spectromètres : CzernyTurner (CZ) et spectrographe de transmission (TR)
Deux modèles de spectromètres très couramment utilisés sont le spectrographe Czerny-Turner, qui est généralement basé sur un réseau réfléchissant et des miroirs, et le spectrographe à transmission.
Les principaux problèmes des spectrographes CZ sont la lumière parasite due aux imperfections du réseau et le débit plus faible du système en raison du réseau réfléchissant et de la réflectivité plus faible des miroirs par rapport à la transmission des lentilles. En outre, les systèmes à base de miroirs sont plus difficiles à compenser pour les erreurs optiques telles que l'aberration chromatique ou l'astigmatisme.
Avantages de la conception de la transmission:
Le principal avantage d'un spectromètre basé sur un réseau de transmission est un débit plus élevé (par rapport aux spectromètres de réflectance). La plus grande contribution à cela est l'efficacité de diffraction plus élevée des réseaux holographiques de phase en volume (VPH). Cela résulte de la plus grande régularité des réseaux VPH et de la possibilité d'appliquer des revêtements anti-reflets sur les couvertures des réseaux VPH. Les réseaux réfléchissants (et les miroirs utilisés dans un spectrographe CZ) ont un débit plus faible en raison des pertes de surface dans le processus de réflexion. Lors de la conception de réseaux VPH, il y a également plus de paramètres pour optimiser le réseau pour la gamme de longueurs d'onde prévue. La relation entre l'efficacité et la longueur d'onde est assez homogène pour les réseaux VPH, tandis que les réseaux de réflexion sont optimisés pour une longueur d'onde spécifique et leur efficacité diminue considérablement en dehors de cette longueur d'onde.
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