SPECTROPHOTOMÉTRIE OPTIQUE

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Spectrophotométries d'absorption ou d'émission résolue dans le temps

Ces techniques sont représentatives des avancées récentes de l'optique, de l'électronique rapide et de l'informatique.

Elles permettent l'étude de l'émission ou de l'absorption d'une molécule seule ou d'un groupe de molécules qui, sous l'action d'une impulsion brève (de 10—14 à 10—6 s) vont se transformer au cours du temps par réaction chimique ou désactivation. Selon la nature de l'impulsion – électrons accélérés ou laser –, on distingue la radiolyse pulsée de la photolyse laser. L'observation et l'analyse détaillée des premières espèces transitoires seront d'autant plus aisées que la durée de la perturbation sera brève et que le temps de réponse de la détection sera court. Par rapport à la spectrophotométrie stationnaire, la résolution temporelle devient donc le paramètre déterminant.

Il s'agit, le plus souvent, de montages originaux, complexes et coûteux, dont les différentes caractéristiques répondent aux impératifs de la recherche.

Spectrophotométrie d'absorption

Cette technique repose sur l'utilisation de deux impulsions. La première impulsion, ou « pompe », vient perturber l'échantillon au temps t = 0, avec formation d'espèce(s) transitoire(s). L'autre impulsion, dite « sonde », retardée par rapport à la première, sert à mesurer la lumière transmise. Les mesures photoélectriques directes sont souvent limitées par les temps de réponse des détecteurs. Dans la plupart des cas, c'est sur le retard optique et modulable, Δt, entre les deux impulsions qu'est fondée la résolution temporelle.

La figure schématise le principe d'un montage « pompe-sonde » qui rappelle le principe du monofaisceau classique. L'impulsion sonde traverse l'échantillon ; elle est recueillie sur le seul détecteur : avant la perturbation pompe, on mesure I0, et après la perturbation pompe, on mesure It.

Montage pompe-sonde

Dessin : Montage pompe-sonde

Schéma de principe d'un montage pompe-sonde (a) et évolution temporelle de la densité optique d'une espèce transitoire (b). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Certains montages permettent de mesurer simultanément I0 et It. L'impulsion sonde est divisée en deux parties égales : l'une traverse une zone non perturbée de l'échantillon (I0) alors que l'autre traverse une région perturbée par l'impulsion pompe (It) ; mais, contrairement au modèle double faisceau de la spectrophotométrie classique, I0 et It sont focalisés sur deux détecteurs indépendants, ce qui peut être une source d'erreur potentielle.

D'un montage à l'autre, les sondes peuvent présenter des caractéristiques spectrales différentes qui influeront sur le type des informations recueillies.

Dans le cas d'impulsions à bande étroite, le détecteur (photodiode discrète) mesure l'évolution temporelle de la D.O. de l'échantillon à une longueur d'onde fixe et renseigne donc sur la dynamique réactionnelle des espèces transitoires.

Si, en revanche, l'impulsion sonde présente un spectre large, les récepteurs (barrettes de photodiodes) mesurent le spectre d'absorption des espèces transitoires à différents temps. Les modifications spectrales observées renseignent sur la nature des transformations de ces espèces transitoires.

Il faut savoir que le temps de réponse d'une photodiode discrète varie de 100 picosecondes (1 ps = 10—12 s) à quelques microsecondes, selon sa surface photosensible. Pour une barrette de photodiodes, le temps de réponse est supérieur (de 10—6 à 10—3 s environ).

Une des applications naturelles de la photolyse laser est l'étude des processus primaires de la vision et de la photosynthèse. La rhodopsine, pigment rétinien, se trouve localisée dans les cellules de l'œil (cellules à bâtonnet). Le 11-cis-rétinal, lié lui-même à l'opsine – protéine de la vision – compose la rhodopsine. Sous l'action de la lumière, la rhodopsine se décolore et se dissocie en tout trans-rétinal et en opsine. La réponse de la membrane de la cellule à ce changement de conformation du rétinal est la formation d'un canal d'ions calcium, qui déclenche un influx nerveux et permet ainsi à la lumière d'être perçue par le cerveau. L'isomérisation cis-trans du rétinal, qui est l'étape cruciale des phénomènes de la vision, s'effectue en environ 10—12 seconde.

De même, l'étude de systèmes modèles par photolyse laser a permis de préciser la séquence temporelle et spatiale des réactions qui suivent l'absorption de la lumière par les centres photosynthétiques. L'étape initiale (premier transfert d'électron) a lieu en environ 3 × 10—12 s, à partir de deux dérivés de la chlorophylle, avec un rendement quantique voisin de 1. La cascade et la rapidité des transferts de charge font que l'électron aura parcouru une distance d'environ 4 ou 5 nanomètres (4 ou 5 × 10—9 m, c'est-à-dire l'épaisseur de la membrane) en quelques nanosecondes seulement.

Spectrophotométrie d'émission

Cette méthode permet aussi bien l'examen de la cinétique de décroissance de l'émission à une longueur d'onde fixe (mesure de la durée de vie de l'espèce intermédiaire) que l'analyse des modifications spectrales en fonction du temps. L'analyse se fait par le biais de méthodes électroniques (caméra à balayage de fente, comptage du photon unique) ou optiques (obturateur à effet Kerr).

Le principe de base du fonctionnement de la caméra à balayage de fente repose sur la conversion de la lumière incidente en photoélectrons, à l'aide d'une photocathode. Ces photoélectrons sont condensés linéairement (collimatés), avant d'être déviés, à très grande vitesse, sur un écran au phosphore. L'intensité lumineuse de la trace ainsi obtenue est proportionnelle à celle de la lumière incidente.

En spectrophotométrie, on induit l'émission de l'échantillon par une brève impulsion, et la caméra enregistre l'intensité de cette émission. Cette technique permet une bonne analyse sur une échelle de quelques picosecondes (10—12 s). Si l'émission est dispersée sur la fente d'entrée d'un spectrographe, il devient possible d'enregistrer simultanément le spectre et l'évolution temporelle de cette émission, à la condition que le détecteur soit une matrice de photodiodes (2 dimensions).

La méthode de comptage du photon unique consiste à mesurer avec précision l'intervalle de temps entre l'absorption d'un photon par l'échantillon et sa réémission.

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Classification de la spectrophotométrie optique d'absorption en fonction de la longueur d'onde et de l'énergie du faisceau incident

Classification de la spectrophotométrie optique d'absorption en fonction de la longueur d'onde et de l'énergie du faisceau incident
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Techniques de spectrophotométrie optique

Techniques de spectrophotométrie optique
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Schéma de principe d'un spectrophotomètre classique

Schéma de principe d'un spectrophotomètre classique
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Spectres de raies (atomes) ou de bandes (molécules)

Spectres de raies (atomes) ou de bandes (molécules)
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, ingénieur de recherche

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Pour citer l’article

Dora GRAND, « SPECTROPHOTOMÉTRIE OPTIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/spectrophotometrie-optique/