Un spectromètre

La spectrophotométrie est le domaine qui étudie la mesure de l'énergie transportée par les rayonnements électromagnétiques dans le domaine de la lumière visible^[1]. La spectrométrie, ou spectroscopie, est une méthode analytique quantitative et qualitative qui consiste à mesurer l'absorbance ou la densité optique d'une substance chimique donnée, généralement en solution. Plus l'échantillon est concentré, plus il absorbe la lumière dans les limites de proportionnalité énoncées par la loi de Beer-Lambert.

La densité optique des échantillons est déterminée par un spectromètre préalablement étalonné sur la longueur d'onde d'absorption de la substance à étudier.

Principe

Pour plus de détails, voir l'article Loi de Beer-Lambert.

Lorsqu’une lumière d’intensité ${\displaystyle I_{0}\;}$ passe à travers une solution, une partie de celle-ci est absorbée par le(s) soluté(s). L’intensité ${\displaystyle I\;}$ de la lumière transmise est donc inférieure à ${\displaystyle I_{0}\;}$. On définit l’absorbance de la solution comme :

${\displaystyle A=\log \left({\frac {I_{0}}{I}}\right)}$.

On parle aussi de transmittance définie par la relation :

${\displaystyle T={\frac {I}{I_{0}}}}$ c'est-à-dire que ${\displaystyle A=-\log {T}\;}$.

L’absorbance est une valeur positive, sans unité. Elle est d’autant plus grande que l’intensité transmise est faible.

La relation de Beer-Lambert décrit que, à une longueur d'onde λ donnée, l’absorbance d’une solution est proportionnelle à sa concentration, et à la longueur du trajet optique (distance sur laquelle la lumière traverse la solution).

Alors, pour une solution limpide contenant une seule substance absorbante :

${\displaystyle A_{\lambda }=\varepsilon _{\lambda }\;l\;c}$

• ${\displaystyle A_{\lambda }\;}$ est l’absorbance ou la densité optique (sans unité) de la solution pour une longueur d'onde λ ;
• ${\displaystyle c\;}$ (en mol.m⁻³) est la concentration de la substance absorbante ;
• ${\displaystyle l\;}$ (en cm) est la longueur du trajet optique ;
• ${\displaystyle \varepsilon _{\lambda }\;}$ (en m³.mol⁻¹.cm⁻¹) est le coefficient d’extinction molaire de la substance absorbante en solution. Il rend compte de la capacité de cette substance à absorber la lumière, à la longueur d'onde λ.

Selon la loi de Beer-Lambert, l'absorbance est additive (mais non la transmittance). Ainsi, pour une solution contenant plusieurs substances absorbantes, l’absorbance de la solution est la somme de leurs absorbances. Pour n substances absorbantes :

${\displaystyle A=\sum _{i=1}^{n}A_{i}(\varepsilon _{\lambda ,i},l=1cm,c_{i})=\varepsilon _{\lambda ,1}\;c_{1}+\varepsilon _{\lambda ,2}\;c_{2}+...+\varepsilon _{\lambda ,n}\;c_{n}}$.

Domaine UV-visible de la spectrométrie

Pour plus de détails, voir l'article Spectroscopie

Un soluté coloré ou chromophore absorbe la lumière visible (longueurs d'onde comprises entre 400 et 800 nm). Certaines solutions absorbent dans l'ultraviolet (longueurs d'onde inférieures à 380 nm), on parle alors de spectrométrie UV. Les infrarouges ne sont pas utilisés en spectrométrie car ils dépendent surtout de la température de la solution et non de sa concentration, ils sont plutôt couverts par la spectroscopie en infrarouge. La spectrophotométrie est plus spécifique que la spectroscopie qui couvre d'autres longueurs d'onde du spectre électromagnétique.

Spectromètre

Pour plus de détails, voir l'article Spectromètre

Un spectromètre mesure l’absorbance d’une solution à une longueur d'onde donnée. Un dispositif monochromateur permet de générer, à partir d’une source de lumière visible ou ultraviolette, une lumière monochromatique, dont la longueur d'onde est choisie par l’utilisateur. La lumière monochromatique incidente d’intensité ${\displaystyle I_{0}\;}$ traverse alors une cuve contenant la solution étudiée, et l’appareil mesure l’intensité ${\displaystyle I\;}$ de la lumière transmise. La valeur affichée par le spectrophotomètre est l’absorbance à la longueur d'onde étudiée. Le spectrophotomètre peut être utilisé pour mesurer de manière instantanée une absorbance à une longueur d'onde donnée, ou pour produire un spectre d’absorbance (spectrophotomètre à balayage). Dans ce dernier cas, le dispositif monochromateur décrit en un temps court l’ensemble des longueurs d’onde comprises entre deux valeurs choisies par l’opérateur.

Limites

Plusieurs facteurs peuvent dégrader la loi de Beer-Lambert et limiter la validité de la spectrophotométrie :

• le domaine de mesure idéal est pour les valeurs de T situées entre 20 et 60 % ;
• plusieurs aberrations optiques liés à la diffusion, la réflexion et la diffraction de la lumière peuvent fausser la mesure ;
• les phénomènes de fluorescence ainsi que d'autres particularités chimiques liées aux substances absorbantes peuvent interférer ;
• plus la densité du soluté est importante, plus le faisceau de lumière incident sera réfracté avec une valeur donnée. Cette tendance est normalement infime mais devient plus prononcée avec les hautes concentrations. Ainsi, la réfraction réduit l'intensité de la lumière transmise et l'instrument indique faussement une absorbance plus élevée. Généralement, ce phénomène peut être évité en travaillant avec des concentrations inférieures à 0,01 mol.L⁻¹.

Applications

Détermination d'une concentration inconnue

Connaissant le spectre d'absorption d'une substance chimique, on peut mesurer, à l'une de ses longueurs d'onde ${\displaystyle \lambda _{max}\;}$ (là où l'absorption est maximale) les variations de l'intensité ${\displaystyle I\;}$ d'un faisceau lumineux traversant une même épaisseur ${\displaystyle l\;}$ de solutions de concentrations diverses.

Courbe d'étalonnage

Ceci permet d'établir expérimentalement la courbe ${\displaystyle A=f(c)\;}$ reliant l'absorbance et la concentration de la substance étudiée (avec ${\displaystyle l=1cm\;}$), en effectuant les mesures de ${\displaystyle A\;}$ pour diverses concentrations. Cette courbe est une courbe d'étalonnage.

La courbe expérimentale d'étalonnage permet ensuite de déterminer la concentration inconnue d'une solution de cette substance par simple mesure de son absorbance et report sur le graphe ${\displaystyle A=f(c)\;}$.

La loi de Lambert-Beer a des limites. Elle n'est linéaire que dans un intervalle de concentrations réduit regroupant des valeurs inférieures à 10⁻² mol.L⁻¹.

Suivi cinétique

Suivi de la cinétique d'une réaction chimique

Lorsqu'au cours d'une réaction chimique dont on veut étudier la cinétique de l'une des substances chimiques en solution, on peut par spectrophotométrie d'absorption suivre la concentration de cette substance (généralement colorée). Si cette substance est un réactif, l'absorbance de la solution diminue au cours du temps. Si au contraire, c'est un produit de la réaction, l'absorbance de la solution augmente au cours du temps.

Exemples

• On peut suivre la cinétique de la réaction d'oxydo-réduction en milieu acide, entre l'acide oxalique C₂H₂O₄ par l'ion permanganate MnO₄⁻ (couleur violette) par la mesure de la diminution d'absorbance de ce dernier pour la longueur d'onde λ = 540 nm.

${\displaystyle 2MnO_{4}^{-}(violet)+6H^{+}+5C_{2}O_{4}H_{2}\rightarrow 2Mn^{2+}(incolore)+8H_{2}O+10CO_{2}}$.

Titrage spectrophotométrique

Références

James Henkel, Essentials of drug product quality (pp. 130,133). 1978, The Mosby Company, (ISBN 0801600316).

Bibliographie

• Georges Bruhat, Optique, sixième édition, collection les cours de référence, Dunod, 2005, 1152 p.

Voir aussi