COMPTE-RENDU DE TP DE SPECTROPHOTOMETRIE:

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1 TEISSIER Thomas MADET Nicolas Licence IUP SIAL Université de Créteil-Paris XII COMPTE-RENDU DE TP DE SPECTROPHOTOMETRIE: Infrarouge Année universitaire 2003/2004

2 Sommaire. I OBJECTIF...3 II MATERIEL II.1 SPECTROMETRE DISPERSIF II.1.1 Principe II.1.2 Avantages II.1.3 Inconvénients... 4 II.2 SPECTROMETRE A TRANSFORMEE DE FOURIER (IRTF OU FTIR)... 5 II.2.1 Principe. [1]... 5 II.2.2 Le Principe de la Transformée de Fourier [1]... 6 II.2.3 Avantages II.2.4 Inconvénients... 6 II.3 AUTRES MATERIELS II.3.1 Informatique... 6 II.3.2 Fenêtres... 6 II.3.3 Matériaux et produits... 6 III MANIPULATIONS ET INTERPRETATIONS III.1 LES PARAMETRES... 7 III.1.1 L apodisation III.1.2 La résolution III.1.3 Le nombre de scans... 7 III.2 NOTION DE REFERENCE... 8 III.2.1 Observations... 8 III.2.2 Interprétation III.3 ETUDE DES PARAMETRES DU SPECTROMETRE FTIR III.3.1 La résolution III.3.2 L apodisation III.3.3 Conclusion... 9 III.4 COMPARAISON DES TECHNIQUES D IRTF ET D IR DISPERSIF III.5 DOMAINES D UTILISATION DE DIFFERENTS MATERIAUX OU SOLVANTS

3 Les données acquises par les spectrophotomètres constituent des spectres. Il s agit d ensemble d un grand nombre de variables exploitables en analyse chimique quantitative moyennant l établissement de modèles de calibrage par des méthodes chimiométriques. L avantage de cette méthode d analyse instrumentale est utilisée dans l industrie alimentaire et pharmaceutique pour l identification des substances de base (analyse qualitative) et le contrôle de qualité des produits finis (analyse quantitative). La spectroscopie moyen infrarouge (IR) a été longtemps utilisée uniquement pour l élucidation de structure des molécules. Depuis près de vingt ans grâce à l avènement des spectrophotomètres à interféromètre de Michelson et à transformée de Fourier (TF) l utilisation de la spectroscopie IR s est généralisée aussi en analyse quantitative. Le dosage des constituants du lait tel qu il s est développé dans les laboratoires de contrôle laitier est un exemple révélateur des capacités de la technique dans l analyse rapide et le contrôle de qualité systématique des produits agroalimentaires. [1 : mon rapport] I Objectif. Cette manipulation a pour objectif de nous initier à l appareillage infrarouge et aux différents paramètres et réglages impliqués pour cette technique, et d analyser les spectres de produits en condition de routine. Nous utiliserons donc pour la plus grande partie de ce TP un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) pour étudier les paramètres de ce type d appareil et analyser les spectres, et un spectromètre dispersif pour comparer ces deux méthodes de spectrométrie. II Matériel. II.1 Spectromètre dispersif. Ce type d appareil n est presque plus fabriqué mais pour des raisons historiques reste encore très présents dans les laboratoires. II.1.1 Principe. La spectroscopie proche IR est basée sur l absorption de radiations lumineuses par la matière. Le principe de fonctionnement général des appareils peut être décomposé comme suit : Le faisceau lumineux issu d une source proche IR est envoyé sur un disperseur, qui fournit le spectre de cette lumière. Après la traversée du disperseur, il y a irradiation de l échantillon à analyser. 2 modes possibles : réflexion (totale ou atténuée) ou transmission suivant que le faisceau incident se réfléchit ou traverse l échantillon. Réception du faisceau réfléchi ou transmis sur des capteurs, conversion en signal : le spectre NIRS est alors obtenu. [2 : (ENSCR : NIRS)] - 3 -

4 transmission réflexion II.1.2 Avantages. Peu ou pas de préparation de l échantillon. - Analyse non destructrice. - Analyse en transmission sur des échantillons relativement épais. - Analyse en réflexion sans contact (peu d influence de CO 2 ou de H 2 O). Analyse rapide multicomposant. Coût de l analyse peu élevé. Cellule de mesure résistante et assez bon marché (verre ou quartz). Gamme importante d appareils robustes pour l analyse en ligne. Possibilités d analyse de produits toxiques ou dangereux à distance (plus de 100 m en utilisant les fibres optiques). Amortissement de l investissement généralement rapide. Méthode puissante pour l étude de la liaison hydrogène. Méthode de choix pour le contrôle industriel, analyse et monitoring in situ en temps réel. II.1.3 Inconvénients. La taille des particules ainsi que l orientation modifient les spectres (même problème qu en IR moyen). Manque de bibliothèques de spectres diversifiés. Comme l IRTF dans le proche infrarouge, n est généralement pas une technique d analyse de traces. Analyse longue : 20min par échantillon

5 II.2 Spectromètre à transformée de Fourier (IRTF ou FTIR). La spectrométrie FTIR a connu un essor considérable au cours de ces 15 dernières années grâce à la rapide évolution de l informatique. II.2.1 Principe. [1] Comparée aux techniques traditionnelles, l interférométrie est une méthode très compétitive. Toutes les fréquences de la source infrarouge sont traitées ensemble sans sélection préalable, ce qui permet de capter le spectre entier en moins d une seconde. Contrairement aux méthodes d analyse par réaction colorée ou enzymatique qui réagissent ave une molécule donnée, l analyse par infrarouge est une méthode d analyse structurale qui révèle la nature des liaisons entre atomes dans une molécule. Les composés organiques ont en effet la particularité de posséder des liaisons inter-atomiques qui entrent en vibration sous l action d un rayonnement infrarouge à des longueurs d onde caractéristiques. Ce phénomène s accompagne d une consommation d énergie lumineuse à la longueur d onde considérée. L IRTF permet de mesurer les absorbances d énergie des liaisons chimiques (fonctions alcool, acides, méthyles, méthylène ) de tous les composants présents dans les produits analysés et de les corréler à leurs concentrations, puisque l intensité de l absorption est directement proportionnelle à la concentration de la molécule considérée. La longueur d onde d absorption va dépendre de la liaison elle-même(c-h, C-O, C-C, ) mais aussi de l environnement moléculaire dans lequel elle se trouve. Ainsi, une molécule donnée va présenter plusieurs longueurs d onde d absorption caractéristiques dans le spectre infrarouge. Le spectre infrarouge d une solution organique comme le vin ou le moût présente donc des absorptions, à certaines longueurs d onde, caractéristiques des différentes molécules présentes. Cet appareil permet la détection de nombreux paramètres. En se basant sur le principe des interférences lumineuses, qui modulent l amplitude d un signal comme une fonction de la différence de trajet entre deux sources interférentes, un interféromètre enregistre l intensité de la lumière captée par le détecteur comme une fonction de la différence de trajet générée par le déplacement d un miroir mobile. La mesure du déplacement minime de ce miroir est effectuée au moyen d un rayon laser qui suit le même trajet que le rayon infrarouge. Cependant, à ce niveau, l interférogramme se réfère à la position du miroir mobile et non à la longueur d onde qui est intéressante. Le rayon infrarouge de la source I.R. frappe le séparateur de rayons qui envoie la moitié du rayon à un miroir fixe et l autre moitié à un miroir mobile. De ces miroirs, les rayons I.R. se reflètent et se recombinent avant d atteindre le détecteur. Toutes les fréquences I.R. voyagent en même temps dans l interféromètre et des déplacements rapides de courte distance du miroir permettent la formation simultanée de la totalité du spectre I.R

6 II.2.2 Le Principe de la Transformée de Fourier [1] Le Principe de Transformation de Fourier (TF) se base sur le fait que chaque fonction peut être décomposée en une somme de fonctions sinusoïdales, chaque fonction sinusoïdale étant définie par deux valeurs: sa fréquence (longueur d ondes) et son amplitude (intensité). La Transformation de Fourier est une procédure mathématique qui permet de décomposer un interférogramme en une somme de fonctions sinusoïdales, représentant chacune une onde donnée. La fréquence et l amplitude de ces ondes sont calculées à partir des données de l interférogramme. En quelques secondes, l interférogramme est recueilli par le spectromètre, traité par le calcul de transformation de Fourier et converti pour donner le spectre entier de l échantillon. A partir de là, nous revenons à la théorie générale de la spectrométrie, de l intensité lumineuse, de la transmission, de l absorption et de leur relation avec les éléments constitutifs d un échantillon spécifique. II.2.3 Avantages. Rapidité de l analyse : 30 secondes par échantillon. Idem que dans I.1.2. II.2.4 Inconvénients. Cf. I.2.3 (sauf lenteur). II.3 Autres matériels. II.3.1 Informatique. Le spectromètre est relié via une carte d acquisition de données à un ordinateur (PC) disposant du logiciel Spectrum pour l acquisition et l analyse des données. II.3.2 Fenêtres. Nous disposons de fenêtres de cristaux de NaCl, de CaF 2 et de cristaux de KBr que l on place sur un support adapté. II.3.3 Matériaux et produits. Filtre de verre interne. Film de polystyrène interne. Film de polyéthylène. Huile de Nujol. CCl 4 Solutions notées A,B,D,E,F,G,H de dodécane, butanol, butanal, butan-2-one acide 3-phénylbutanoïque, acétonitrile,, acétate d éthyle, de toluène (dans un ordre inconnu) et une inconnue

7 III Manipulations et interprétations. III.1 Les paramètres. III.1.1 L apodisation. La différence de chemin optique finie de l interféromètre conduit à une fonction instrumentale qui possède des lobes alternativement négatifs et positifs autour du pic principal Si la largeur des lobes (1/2L) est grande par rapport à la largeur de la raie d absorption, leur effet est visible et peut être gênant. Dans ce cas il peut être souhaitable de réduire leur effet en appliquant une fonction d apodisation à l interférogramme. Une fonction d apodisation décroît de manière continue vers 0 pour éviter le passage brutal du signal à 0 lorsque le miroir mobile est en fin de course. Il existe plusieurs fonctions d apodisation courantes dont les fonctions de Norton et Beer [1976]. Quelque soit la fonction utilisée, l apodisation conduit à un élargissement des raies spectrales et donc à une moins bonne résolution. [3 : III.1.2 La résolution. C est un paramètre très important qui définira la précision du signal enregistré. C est à dire que plus la résolution est grande, plus le spectre est bien défini. On observera alors le maximum de détail de l enregistrement. Mais une résolution trop grande peut conduire à une trop importante masse d informations qui rend à première vue le spectre illisible. La résolution (en cm -1 ) est donc un paramètre que l on règlera selon le type de précision d analyse que l on désire : routine ou expérimentale. L appareil effectue une mesure tous les X cm -1 du spectre infrarouge. X est défini en début de mesure par l expérimentateur. III.1.3 Le nombre de scans. L appareil effectue n fois l enregistrement du spectre selon le désir de l utilisateur et le logiciel fait une moyenne des n spectres enregistrés

8 III.2 Notion de Référence. On enregistre la référence en laissant le compartiment vide avec les paramètres suivants :. Apodisation forte. Résolution : 4cm -1. Nombre de scans : 4 Pour simplifier, on enregistre le spectre IR de l air (annexe 1). Cela permet de définir le bruit de fond de l appareil, c est à dire les enregistrements parasites qu effectue inévitablement le spectromètre à cause de la présence de molécules de l air interagissant avec les rayons IR émis. III.2.1 Observations. On observe un spectre dont la ligne de base est instable et en pente. Plusieurs bandes sont enregistrées, la première constituée de nombreux pics est située de 4000 à 3500 cm -1, la deuxième de 3 pics aux alentours de 3000 cm -1, un grand pic à 2300 cm -1, une large bande de nombreux pics de 1800 à 1300cm -1 et quelques pics ponctuels sur une pende décroissante à 1100 cm -1, 900 cm -1 et 600 cm -1. III.2.2 Interprétation. de 4000 à 3500 cm -1 : présence de vapeurs d eau dans l air 2300 cm -1 : présence de CO2 dans l air de 1800 à 1300cm -1 : présence de vapeurs d eau. Les 3 pics aux alentours de 3000 cm -1, et les 3 derniers à 1100 cm -1, 900 cm -1 et 600 cm -1, peuvent être dus à une ou des vapeurs de produits organiques utilisés pour les TP dans le laboratoire. Nous pouvons en conclure qu il est important de connaître cette référence car ces molécules parasiterons les mesures sur nos échantillons. Les résultats obtenus doivent donc tenir compte des conditions initiales et environnementales de la mesure. La référence permet donc à l appareil d évaluer le bruit de fond. III.3 Etude des paramètres du spectromètre FTIR. On enregistre les spectres de référence (air) et d un filtre interne de polystyrène en gardant constant 2 paramètres sur 3 (apodisation et nombre de scans, ou résolution et nombre de scans) en modifiant le 3 ème (respectivement résolution ou apodisation). III.3.1 La résolution. Une forte apodisation et un nombre de 4 scans sont fixés, on fait varié la résolution de la mesure de 64 à 16 puis 1 cm -1. On observe sur les courbes que plus la résolution est grande (la plus grande est 1 cm -1 ) plus la précision du spectre est élevé, c est à dire que le nombre de pics est plus élevé. Pour une même longueur d onde, le pic est défini soit par une «vague» à 64 cm -1, soit par une «vallée» et des pics plus affirmés à 16 cm -1, soit par une «vallée» et des pics très «accidentés» encore plus affirmés à 1 cm -1. (voir annexes 2 et 3)

9 III.3.2 L apodisation. Une résolution de 4 cm -1 et un nombre de 4scans sont fixés, on fait varier l importance de l apodisation sur la mesure de forte à faible puis nulle. D après les courbes enregistrées (annexes 4 et 5), on observe que plus l apodisation est forte plus les pics diminuent de hauteur et sont applatis. Ce paramètre joue donc aussi sur la précision de la mesure. III.3.3 Conclusion. L apodisation influe selon les ordonnées et la résolution selon les abscisses. III.4 Comparaison des techniques d IRTF et d IR dispersif. On enregistre le spectre d un film de polystyrène dans les conditions suivantes en IRTF: - 1 scan - forte apodisation - résolution = 4 cm -1 puis le spectre du même filtre est enregistré sur l appareil dispersif. (Annexes 5 et 6). On remarque dans un 1 er temps en comparant les 2 graphes que la mesure par IRTF semble plus précise que celle par dispersion. En effet, pour une bande à une même longueur d onde donnée, celle-ci est définie par plus de pics par l IRTF que par la méthode dispersive. Exemple : à 1600 cm -1, le spectre en IR dispersif est donné par 1 pic tandis que pour l IRTF on a une multitude de pics. Dans un 2 ème temps, on remarque qu une bande à 2300 cm -1 est présente et bien prononcée sur la courbe de l IRTF mais est définie sur la courbe de l analyse dispersive par un artefact. C est la bande caractéristique du CO 2. L appareil IRTF est donc plus précis puisqu il est capable de détecter le CO2 en faible quantité dans l air (0,05%) et pas l appareil IR dispersif. III.5 Domaines d utilisation de différents matériaux ou solvants. On enregistre les spectres dans les conditions suivantes en IRTF: - 4 scans - forte apodisation - résolution = 4 cm -1 des matériaux et solvants suivants : - filtre de verre interne à l appareil - fenêtre de NaCl - fenêtre de KBr - fenêtre de CaF 2 - film de polyéthylène - huile de Nujol entre 2 pastilles de NaCl - Chloroforme dans une cellule de 0,2mm d épaisseur

10 On observe sur les courbes tracées en annexes 8 et 9 pour : Matériau ou solvant filtre de verre interne fenêtre de NaCl fenêtre de KBr Fenêtre de CaF 2 Fim de polyéthylène Huile de Nujol Chloroforme Caractéristiques du spectre Large bande d absorption de 3700 à 2000 cm -1 puis saturation continue de l appareil. Lligne de base stable, pas de pics d absorptions significatifs sur tout le spectre IR. Ligne de base moins stable et bruit de fond plus important que pour NaCl, pas de pics d absorptions significatifs sur tout le spectre IR et début de saturation du signal à partir de 700 cm -1. Ligne de base stable, pas de pics d absorptions significatifs sur tout le spectre IR mais début de saturation du signal à partir de 1500 cm -1. Ligne de base en pente au début, pics d absorption à 2950, 1450 et 600 cm -1, donc absorption dans l IR. Ligne de base instable, forte absorption aux alentours de 3000 cm -1 puis de 1500 à 750 cm -1 avec des variations d intensité. Ligne de base stable mais quelques pics d absorption sont présents à 3000 cm -1 de faibles intensités donc non significatifs, à 1200 et à 650 cm -1 on trouve des pics d absorption importantes. Conclusion sur l utilisation en IFTR Inutilisable car absorbe trop dans l IR Type de cellule adéquat Type de cellule adéquat jusqu à 700 cm -1 Saturation trop rapide donc inutilisable. Absorption dans l IR donc cellules inutilisables. Solvant inutilisable car trop d absorption Solvant adéquat mais il faut tenir compte de ses pics caractéristiques