Instrumentations en
Spectroscopie Raman
Introduction :
Depuis 1990, il existe des microscopes Raman possédants
un système dispersif à réseau, un laser proche infrarouge
(780nm) et un détecteur très sensible (caméra CCD)
à deux dimensions (spatiale et spectrale). Il existe deux types de
spectromètre Raman : conventionnel et à transformée de
Fourier, qui peuvent tous les deux être équipés d'un
microscope.
II- 1) Composition des spectromètres
Raman :
Les spectrophotomètres Raman classiques sont semblables
en apparence aux autres spectrophotomètres. Ils comprennent
donc :
- une source lumineuse qui fournit le faisceau incident
- une platine de transfert
- un monochromateur qui permet de séparer les rayons
lumineux de fréquences différentes
- un détecteur qui analyse l'intensité des
faisceaux lumineux
- un système d'amplification et d'enregistrement.
Fig. II-1 Schéma de principe d'un
spectromètre Raman - laser
A) La source :
Dans la spectroscopie Raman, on irradie l'échantillon
par une source laser, qui est très intense, où la longueur d'onde
d'excitation peut être choisie dans un domaine assez large. On distingue
les lasers continus et les lasers pulsés.
En spectroscopie Raman ces lasers ont plusieurs avantages, en
effet ils nous offrent :
v Une cohérence spatiale de la lumière
émise qui permet d'obtenir de grandes densités de puissance
incidente. On peut donc enregistrer les raies observées de faibles
intensités, en un temps très court.
v Une grande monochromacité de la raie excitatrice; la
longueur d'onde de cette raie étant très petite, les spectres de
rotations et de vibrations sont minutieusement résolus (au cm-1
près).
v Une puissance du faisceau laser contrôlable, elle
n'est ni trop faible ni trop forte.
v Une stabilité du faisceau laser (cohérence
temporelle) qui élimine presque totalement le fond continu qui
empêche l'étude spectroscopique de certaines molécules de
masse relativement élevée.
v Une mise en évidence de l'effet isotopique.
v Une grande densité des photons, créée
par focalisation du faisceau laser dans un petit volume d'échantillon
qui permet d'observer une diffusion Raman très intense à partir
d'une petite quantité de substance.
v Un rayonnement incident qui traverse en entier
l'échantillon.
v Aussi, les lasers nous permettent d'obtenir des spectres
reproductibles.
B) Platine de transfert :
La platine de transfert comprend deux systèmes
optiques :
- L'un permet l'éclairement de l'échantillon,
- L'autre la concentration de l'effet Raman sur la fente
d'entrée du monochromateur.
C) Monochromateur :
Il a pour rôle d'analyser la lumière
diffusée et de séparer efficacement l'effet Raman, peu intense,
de la raie Rayleigh, car on ne peut exploiter les qualités du laser que
si le monochromateur possède une résolution et une
luminosité très élevées, et aussi un très
bas taux de lumière parasite.
Un monochromateur à réseau classique
éclairé par une lumière parfaitement monochromatique
d'intensité I, laisse apparaître le long du spectre une
lumière résiduelle d'une intensité au mieux égale
à 10-4 I, et ce facteur ne peut être réduit que
de 10 à 100 seulement.
C'est pourquoi les spectromètres Raman possèdent
un monochromateur double (ou triple), comportant deux étages (ou trois)
à réseaux holographiques placés en série.
Fig. II.2 schéma
optique de monochromateurs
D) détection - microsonde :
1 - détection
photoélectrique :
L'analyse du spectre Raman peut être effectuée
par deux méthodes :
- soit par analyse successive des différents
éléments spectraux au moyen d'un détecteur
photoélectrique monocanal.
- Ou bien par analyse simultanée de ces
éléments spectraux au moyen d'un détecteur multicanal.
1.1 Détection photoélectrique
monocanal :
Le spectromètre Raman laser monocanal contient un
dispositif mécanique de balayage du spectre qui assure le
défilement du spectre à analyser dans le plan de sortie du
spectromètre.
Le photomultiplicateur, qui est un détecteur de type
photo émissif, utilisé dans un appareil de spectrométrie
Raman est toujours refroidi (T 40°C) au moyen d'un refroidisseur
thermoélectrique pour diminuer les émissions
thermoélectriques.
De plus, ce photomultiplicateur doit être bien
blindé avec du métal pour l'isoler des champs magnétiques
extérieurs.
1.2 Détection de photons multicanale -
Détecteurs multicanaux à barrettes photodiode :
En détection photoélectrique monocanale, il y a
risque important de perte d'information. Pour éviter ceci, on utilise un
spectromètre multicanal c'est-à-dire un spectromètre
permettant d'analyser simultanément un grand nombre
d'éléments spectraux.
En fait, le spectromètre n'a plus de système de
balayage mécanique, mais il fonctionne comme un spectrographe
couplé à un détecteur photoélectrique multicanal
comportant un grand nombre de canaux de détection, ce qui permet d'avoir
des mesures et des analyses plus précises.
D'autre part, en raison de leurs propriétés et
de leurs dimensions géométriques, ces détecteurs
multicanaux à barrettes photodiodes, sont parfaitement conçus
pour la détection simultanée des raies spectrales.
2 - Microsonde Raman - laser :
On peut obtenir un instrument pouvant effectuer une analyse
locale non destructive d'un volume de l'ordre de um3 ce qui
correspond à une masse
d'échantillon de l'ordre du pico gramme ; qu'on
appelle microsonde Raman et en utilisant comme optique de transfert un objectif
de microscope avec un angle d'ouverture de l'ordre de 140° dans l'air.
a) Microsonde de première
génération :
Elle a permis de nombreuses applications de la microanalyse
par effet Raman dans différents domaines. De plus, elle a pu mettre en
évidence les possibilités importantes de cette technique ainsi
que ses principales limitations.
A filtre
B filtre spatial J
éclairage ou lumière blanche
C trou d'épingle L fente d'entrée
D mesure de la puissance laser M miroir collimateur
E lame séparatrice N réseau
F pupille de sortie O fente intermédiaire d'un
double ou
G objectif de microscope fixe d'un triple monochromateur
H porte échantillon P filtre de
sécurité
I éclairage ou lumière blanche Q
caméra de télévision ou vidicon
Fig.II.3 Principe de la microsonde Raman de
première génération
b) Microsonde de seconde
génération :
Développée depuis 1980, elle exploite les
progrès des détecteurs photoélectriques multicannaux. Elle
permet soit de détecter des signaux
Raman de faible intensité, soit de réduire le
temps d'exposition de l'échantillon tout en gardant la puissance laser
à un niveau qui ne risque pas de détruire
l'échantillon.
Fig. II.4 Principe de la microsonde Raman de
deuxième génération
c) Microsonde Mole à effet
Raman :
C'est une méthode en général non
destructive, où les échantillons sont placées à
l'air libre et ne nécessite pas de répartition spéciale.
Elle regroupe un microscope optique classique, un filtre optique à
réseaux holographiques concave et un système de détection
monocanale.
Cette microsonde permet l'analyse d'échantillons dont
la taille minimale est de l'ordre du micron et la taille maximale est
limitée par la nécessité de mettre au point le microscope
avec des objectifs de fort grossissement.
E) Amplification et enregistrement :
Les récepteurs de rayonnement employés en
spectrométrie Raman sont des photomultiplicateurs, qui sont eux
même de parfaits amplificateurs à courant continu dont le gain est
de l'ordre de 106.
Ces tubes photoélectriques possèdent une
photocathode et des étages à amplification par émission
secondaire.
Lorsque le tube est sous une tension et si l'on évite
d'illuminer fortement la photocathode, leur durée de vie devient presque
illimitée.
En fixant avec précision, la tension d'alimentation
des dynodes, on peut ainsi stabiliser le gain.
Le signal de sortie d'anode du photomultiplicateur est
mesuré soit par un amplificateur, soit par une méthode
numérique appelée comptage des photons.
F) La spectroscopie Raman par transformée de
Fourier :
La spectroscopie Raman conventionnelle offre plusieurs
avantages :
* En Raman l'échantillon n'a pas besoin d'une
préparation au préalable. Il n'est donc pas détruit et
peut être réutilisé.
* Aussi grâce à l'excellente transmission du
verre dans le visible ou le proche infrarouge ; il peut être
utilisé comme matériau porte échantillon.
* En Raman, l'eau convient très bien à
l'étude des composés en solution aqueuse puisqu'il diffuse
très peu la lumière.
Malgré ça, la spectrométrie Raman demeure
plus au mois délaissée; car elle provoque une fluorescence
très géante de certains échantillons utilisés, due
au laser qui les illumine, opérant dans le visible.
Plusieurs groupes de recherche ont pu prouver que la
réalisation pratique de la spectroscopie Raman par transformée de
Fourier est possible.
Le RTF permet donc, l'analyse de plusieurs composés,
qu'on ne pouvait étudier au paravent, comme les colorants, les
molécules biologiques, les polymères.
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