La spectroscopie Raman pour l'analyse chimique

La spectroscopie Raman exploite la diffusion de la lumière pour recueillir des informations moléculaires uniques au matériau étudié.

Lorsque la lumière frappe une molécule, la majeure partie de l’énergie n’est pas absorbée, mais se disperse avec la même énergie que la lumière incidente. Cependant, une petite fraction du rayonnement diffusé apparaît à des énergies différentes du rayonnement incident.

Ces changements d’énergie correspondent à des états vibratoires des molécules et peuvent être utilisés pour identifier, quantifier et examiner la composition moléculaire de l’échantillon analysé.

Cette vidéo présentera la théorie derrière cette technique, démontrera une procédure pour effectuer la même chose en laboratoire et présentera certaines des façons dont cette méthode est appliquée dans les industries aujourd’hui.

L’interaction du rayonnement avec un échantillon peut être considérée comme des collisions entre photons et molécules.

Un photon entrant excite la molécule jusqu’à un état excité virtuel de courte durée, à partir duquel elle reviendra rapidement à son état fondamental et émettra un photon diffusé. Lorsqu’il n’y a pas d’échange d’énergie, un photon diffusé a la même longueur d’onde que le photon incident, et c’est ce qu’on appelle la diffusion élastique de Rayleigh.

La diffusion Raman représente des molécules subissant une excitation vibratoire ou une relaxation à la suite d’une interaction inélastique avec des photons. Si la molécule est élevée d’un état fondamental à un état excité virtuel et retombe à un état vibratoire d’énergie plus élevée, alors elle a gagné de l’énergie du photon. C’est ce qu’on appelle aussi la diffusion de Stokes.

Si une molécule dans une énergie vibratoire plus élevée, gagne de l’énergie et redescend à un état fondamental inférieur, alors la molécule a perdu de l’énergie au profit du photon, donnant lieu à une diffusion anti-Stokes. À température ambiante, le nombre de molécules à l’état fondamental est plus élevé que celui des molécules à l’état d’énergie plus élevé, ce qui rend la diffusion de Stokes plus intense et plus souvent examinée que la diffusion anti-Stokes.

Les vibrations moléculaires et les rotations résultant de ces interactions avec les photons incidents comprennent l’étirement symétrique et asymétrique, le ciseaux, le balancement, le mouvement et la torsion.

Ces vibrations moléculaires sont utilisées non seulement dans la spectroscopie Raman, mais aussi en même temps que d’autres techniques, comme la spectroscopie infrarouge. Une vibration est « Raman-active », c’est-à-dire détectable par spectroscopie Raman, lorsqu’elle provoque un changement dans la polarisabilité, ou la quantité de distorsion, de son nuage d’électrons. Une vibration est active dans l’infrarouge lorsqu’elle induit une modification de son moment dipôle.

Par exemple, les étirements symétriques, comme l’expansion du dioxyde de carbone, éloignent les électrons des noyaux et deviennent facilement polarisables, mais ne modifient pas le moment dipolaire. Un étirement asymétrique, en revanche, entraîne un changement du moment dipôle, mais aucun changement de polarisabilité. Pour ces raisons, la spectroscopie Raman et la spectroscopie infrarouge sont traitées comme des méthodes complémentaires d’analyse chimique.

La spectroscopie Raman est réalisée en faisant briller un laser monochromatique intense sur un échantillon. Le rayonnement émis par l’échantillon est collecté et la longueur d’onde du laser est filtrée. La lumière diffusée est envoyée à travers un monochromateur à un détecteur CCD. En micro-spectroscopie Raman, le laser passe au microscope avant d’atteindre l’échantillon, permettant une résolution spatiale au niveau du micron.

Le spectre Raman d’un échantillon est un tracé de l’intensité du rayonnement diffusé en fonction du décalage des nombres d’onde par rapport à celui du rayonnement incident. Les formes et les intensités des pics peuvent indiquer la structure moléculaire, la symétrie, la qualité des cristaux et la concentration du matériau.

Maintenant que vous comprenez la théorie derrière cette méthode, explorons un protocole pour effectuer une microspectroscopie Raman sur un échantillon.

Pour commencer la procédure, allumez le laser requis et sélectionnez l’optique correcte pour la longueur d’onde utilisée. Donnez au laser 15 min pour se réchauffer avant de commencer l’expérience. Pendant ce temps, allumez l’ordinateur et chargez le logiciel de l’instrument.

Choisissez la bonne longueur d’onde pour le laser utilisé. Effectuez l’étalonnage requis du spectroscope Raman. Cela peut être fait à l’aide d’une plaquette de silicium placée sur la platine du microscope, mais ici un échantillon de référence interne en silicium est utilisé. Le spectre Raman est obtenu en utilisant une énergie et un temps d’exposition appropriés. Le silicium devrait donner un fort pic à environ 520 numéros d’onde.

Une fois calibré, placez l’échantillon sous le microscope et concentrez-vous sur la couche d’intérêt. Un boîtier sombre est utilisé pour éliminer la lumière parasite. Assurez-vous que le trajet du laser n’est pas obstrué par des couches absorbant la lumière ou actives Raman afin d’obtenir un spectre propre.

Sélectionnez la plage de numéros d’onde qui doit être balayée par le monochromateur. Sélectionnez une intensité laser qui produit un signal suffisant, mais n’endommage pas le matériau étudié. Cela peut être vérifié en imageant deux fois le même endroit. Si le spectre change, des dommages peuvent s’être produits.

Si l’échantillon se trouve dans un boîtier complètement sombre, un balayage en arrière-plan n’est pas nécessaire. Acquérez le spectre de l’échantillon.

Examinez les données à l’aide d’un logiciel approprié et en les comparant à la littérature disponible. Les rayons cosmiques apparaissent comme des pics aigus et intenses qui doivent être éliminés. L’interférence laser avec certains substrats ou contaminants peut entraîner une ligne de base, qui est supprimée en ajustant une courbe appropriée aux régions du spectre qui ne sont pas censées contenir des pics Raman provenant de l’échantillon. Pour certains matériaux, les différents pics Raman se chevauchent à un point tel qu’une déconvolution maximale peut être nécessaire.

Une fois ces étapes effectuées, les spectres résultants représenteront des données qualitatives et quantitatives sur les espèces présentes dans l’échantillon.

Ici, nous examinerons le spectre Raman des nanotubes de carbone, qui sont de très petits rouleaux creux à une ou plusieurs couches de feuilles de graphène. Le spectre Raman prélevé à partir de nanotubes de carbone à parois multiples à l’aide d’un laser de 514 nm est illustré ici.

Parce que les nanotubes de carbone sont représentés par des réseaux cristallins, leurs vibrations sont représentées par des « modes » de vibrations collectives?.? Le pic du mode G à 1 582 numéros d’onde est lié à la liaison carbone-carbone hybride sp2 que l’on peut trouver dans n’importe quel matériau graphitique. Il y a aussi un pic D proéminent 1 350 numéros d’onde représente la diffusion, causée par un désordre dans le réseau cristallin. Le rapport de l’intensité des modes G et D quantifie la qualité structurale du nanotube.

Les développements des lasers et des technologies informatiques ont fait de la spectroscopie Raman, autrefois fastidieuse, l’une des techniques les plus utilisées pour l’analyse chimique.

Les piles à combustible à oxyde solide, ou SOFC, ont le potentiel de devenir une source majeure d’énergie à faibles émissions dans les décennies à venir. Ces piles fonctionnent en convertissant électrochimiquement l’énergie d’un combustible et d’un oxydant, dans ce cas des oxydes solides, en électricité. Il est encore difficile de caractériser le mécanisme électrochimique des matériaux des piles à combustible in situ. Cependant, la spectroscopie Raman est maintenant de plus en plus utilisée pour cartographier des mécanismes de réaction chimique complexes à l’anode.

Les objets d’art sont examinés spectroscopiquement afin de révéler leur âge, leur composition et d’optimiser les conditions de conservation. La nature non destructive de la microspectroscopie Raman la rend bien adaptée à cet usage. En focalisant un laser sur l’échantillon d’art et en traçant l’intensité de la lumière diffusée de manière inélastique, il est possible d’obtenir des spectres de pigments d’artistes, de liants ou de vernis. La spectroscopie Raman est même utilisée pour identifier la falsification d’œuvres d’art.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la spectroscopie Raman pour l’analyse chimique. Vous devez maintenant comprendre les principes qui sous-tendent l’effet Raman et comment il s’applique à la spectroscopie Raman, comment effectuer votre propre analyse Raman en laboratoire et certaines des façons passionnantes dont il est appliqué dans les industries aujourd’hui.

Merci d’avoir regardé !