Spectroscopie & spectrométrie optique

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1 Tutorat Santé Lyon Sud UE3 Spectroscopie & spectrométrie optique Cours du Professeur C.HOUZARD L ensemble des cours du Professeur C.HOUZARD fait habituellement l objet de X QCMs au concours. Le présent support de cours fourni par le Tutorat Santé Lyon Sud est destiné à faciliter votre prise de notes mais ne constitue en aucun cas une référence pour le concours. Seuls les cours ayant été dispensés par les enseignants et les supports mis à disposition par leurs soins sont légitimes. Veuillez prendre note que seul les polycopiés directement téléchargés depuis Spiral Connect sont certifiés en provenance du tutorat, toute autre source est potentiellement compromise. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 1/6

2 SOMMAIRE I. STRUCTURE DE LA MATIERE, SPECTRES... 3 I.A. INTRODUCTION Spectroscopie moléculaire interaction lumière-matière...3 I.B. LOI DE KIRCHHOFF Transitions entre états énergétiques d'une molécule Spectre d'émission, spectre d'absorption...3 I.C. SPECTRES ATOMIQUES...3 I.D. SPECTRES MOLECULAIRES...3 II. PRINCIPE DES DOSAGES SPECTROMETRIQUES... 4 II.A. SPECTROSCOPE...4 II.B. LOI DE BEER-LAMBERT...4 II.C. SPECTRES MOLECULAIRES...4 II.D. SPECTROSCOPIE INFRA-ROUGE Généralités Analyse quantitative et qualitative...5 II.E. SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE Généralités Notion de chromophore Analyse quantitative et qualitative...5 III. OXYMETRIE DE POULS /6 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

3 I. STRUCTURE DE LA MATIERE, SPECTRES I.A. INTRODUCTION 1. Spectroscopie moléculaire La spectroscopie représente l étude de l interaction lumière-matière. C est l ensemble des mesures et l interprétation relatives à l absorption ou à l émission de radiations électromagnétiques émises par les atomes ou les molécules lors de transitions d un niveau d énergie à un autre dans des conditions parfaitement définies. Elle est utilisée pour obtenir des informations sur un milieu : qualitatives (structure et niveaux énergétiques des molécules) et quantitatives (dosage d une molécule dans une matrice, détermination de constantes d équilibre et cinétique). 2. interaction lumière-matière Lorsque que le faisceau monochromatique du spectromètre traverse un échantillon, une partie du rayonnement incident I 0 est absorbée par l'échantillon et dépendante de la quantité et de la nature de la matière ; et une partie est diffusée (de manière élastique ou inélastique). Mais la partie de l'intensité lumineuse absorbée est largement supérieure à la partie diffusée. I.B. LOI DE KIRCHHOFF Loi de Kirchhoff : les fréquences d absorption sont les mêmes que celles d émission. 1. Transitions entre états énergétiques d'une molécule Soit une molécule soumise à un rayonnement électro-magnétique, d'énergie h.ν, son énergie passe d'un état fondamental (énergie minimale, stable) à un état excité tel que ΔE= Eexcité-Estable= Eélectromagnétique = hν. On dit que les transitions sont quantifiées. 2. Spectre d'émission, spectre d'absorption Spectre d'émission, c'est un spectre de raies. Spectre d'absorption, c'est un spectre de bandes. I.C. SPECTRES ATOMIQUES Ce sont des spectres de raies, les transitions correspondant à des passages entre niveaux énergétiques quantifiés d'un atome (il s agit d un échange d énergie discontinue par transition d énergie quantifiée). I.D. SPECTRES MOLECULAIRES Plusieurs transitions sont possibles donc le spectre n'a pas la forme d'un spectre de raies mais de bandes (les raies sont gaussées en bandes fines à cause d'échanges d'énergie parasite comme les collisions entre molécules par exemple). Il y a un échange continu d énergie. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 3/6

4 II. PRINCIPE DES DOSAGES SPECTROMETRIQUES II.A. SPECTROSCOPE isolation d une seule longueur d onde issue d une lumière complexe évaluation de la quantité de cette longueur d onde absorbée lors de son passage dans une cuve contenant un échantillon du composé à analyser. II.B. LOI DE BEER-LAMBERT Elle décrit les phénomènes d'absorption de l'énergie dans un milieu, et s'exprime sous plusieurs formes. La loi de Beer-Lambert permet de déterminer la concentration d'un soluté de nature spécifique. On applique la loi de Beer-Lambert pour effectuer des courbes d étalonnage. Loi de Beer-Lambert : I (λ) = I 0. e µ al Transmission : T (λ) = I (λ) I 0 Transmittance : T(%) = I I Avec I<I 0 Absorbance ou densité optique : A = log I 0 I I (λ) l intensité de la lumière transmise I 0 l intensité de la lumière incidente µ a le coefficient d absorption= f(λ) souvent exprimé en cm -1 l la longueur de la cuve Additivité des absorbances : cas d une solution contenant plusieurs espèces, absorbance mesurée= somme des absorbances dues à chacun des composés II.C. SPECTRES MOLECULAIRES Il existe plusieurs niveaux de transitions énergétiques pour une molécule contrairement à l'atome, par ordre décroissant d'énergie on trouve : les transitions électroniques comme pour l'atome (ev), les transitions vibrationnels par déformation et élongation des liaisons (10-1 ev) et rotationels (10-2 ev). A chaque niveau de transition énergétique correspond plusieurs sous niveaux pour un niveau électronique on trouve plusieurs niveaux vibrationnels pour un niveau vibrationnel on trouve plusieurs niveaux rotationnels 4/6 Tutorat Santé Lyon Sud ( )

5 La nature de la transition et le niveau de transition dépendront de l'énergie du rayonnement incident. Le domaine des infra-rouges lointains entraine uniquement des transitions de niveaux de rotations, le domaine des infra-rouges des transitions de niveaux de rotations ou de vibrations et le domaine de l'uvvisible des transitions électroniques, rotation et vibration. II.D. SPECTROSCOPIE INFRA-ROUGE 1. Généralités Domaines de longueur d'onde concerné : de 1 à 50 μm. Le rayonnement infra-rouge entraîne un changement de niveau vibrationnel de la liaison qui provoque une élongation ou une déformation. 2. Analyse quantitative et qualitative Les liaisons absorbent des longueurs d'ondes caractéristiques de leur propriétés et des atomes engagés, dans le domaine de l'infra-rouge : cela permet d'identifier des groupements et de caractériser des molécules inconnues. II.E. SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE 1. Généralités Domaine de longueur d'onde concerné : 10 à 400 nm (UV) et 400 à 750 nm (visible). Conséquence d un rayonnement UV ou visible: passage d un niveau au repos à un niveau excité des électrons de valence formant les liaisons covalentes. 2. Notion de chromophore Un chromophore est une substance colorée ayant la capacité de changer de couleur lorsqu'elle est soumise à une excitation lumineuse. Cela peut également désigner une partie seulement, un groupe d'atomes, de la molécule qui possède ses caractéristiques. groupes chromophores : doubles liaisons conjuguées, groupes auxochromes 3. Analyse quantitative et qualitative Peu d'informations qualitatives peuvent être obtenues dans le domaine UV-visible car limité aux seuls chromophores. Tutorat Santé Lyon Sud ( ) 5/6

6 Les informations quantitatives peuvent êtres obtenues sur toutes les substances absorbant la lumière et on peu également déterminer des constantes d'équilibre. III. OXYMETRIE DE POULS L'oxymétrie de pouls est une application médicale permettant de mesurer la saturation en oxygène pulsée (SpO2) qui se base sur les principes de la spectrophotométrie. Le fonctionnement repose sur le fait que l'oxy-hémoglobine et la désoxy-hémoglobine ont des pics d'absorbance maximum à des longueurs d'ondes différentes (respectivement dans l'infra-rouge et dans le rouge). L'appareil calcule la saturation en évaluant le ratio entre l'oxy-hémoglobine et la désoxy-hémoglobine. 6/6 Tutorat Santé Lyon Sud ( )