Spectrométrie d'absorption

La spectrométrie d'absorption est une méthode de spectroscopie électromagnétique utilisée pour déterminer la concentration et la structure d'une substance en mesurant l'intensité du rayonnement électromagnétique qu'elle absorbe à des longueurs d'onde différentes.

Typologie

La spectroscopie d'absorption peut être atomique ou moléculaire.

SpectroscopieNom en françaisNom en anglaisMéthode d'excitationMéthode d'atomisationExemples[1]Détection
Spectroscopie d'absorption atomiqueSpectroscopie d’absorption atomique (SAA)Atomic absorption spectroscopy (AAS)Rayons électromagnétiques surtout UV-VisibleFlammeFlame AAS (F-AAS)Rayons électromagnétiques surtout UV-Visible non absorbés
ÉlectrothermieElectrothermal AAS (ET-AAS) ou spectroscopie d'absorption atomique par four graphite (GF-AAS) ou SAA-ET ou SAAE
Techniques de génération de vapeurSpectrométrie d’absorption atomique à vapeur froide (CV-AAS) et spectrométrie d'absorption atomique par génération d'hydrure (HG-AAS)
Spectroscopie d'absorption des rayons X (SAX)X-ray absorption spectroscopy (XAS)Rayons XPas d'atomisationXANES, EXAFSRayons X non absorbés
Spectroscopie d'absorption moléculaireSpectroscopie d'absorption moléculaireMolecular absorption spectroscopyRayons électromagnétiques allant de l'ultraviolet jusqu'aux ondes radioPas d'atomisationRayons électromagnétiques allant de l'ultraviolets jusqu'aux ondes radio non absorbés

Spectroscopie d'absorption moléculaire

Comme indiqué dans le tableau précédent, les rayonnements électromagnétiques exploités en spectroscopie d'absorption moléculaire vont de l'ultraviolet jusqu'aux ondes radio :

Onde électromagnétiqueTransition électronique, vibration ou rotation moléculaires[2]Nom en françaisNom en anglais
Ultraviolet et VisibleTransitions électroniquesSpectroscopie ultraviolet-visibleUltraviolet–visible spectroscopy
InfrarougeVibrations de moléculesSpectroscopie infrarougeInfrared spectroscopy
Combinaison vibration-rotation de moléculesSpectroscopie RamanRaman spectroscopy
Micro-ondesRotations de moléculesSpectroscopie rotationnelleRotational spectroscopy
Ondes radioRotations de molécules

Loi de Beer-Lambert

La couleur d'un corps en transmission (transparence) représente sa capacité à absorber certaines longueurs d'onde. L'absorption d'une longueur d'onde λ par une substance (parfois nommée un produit ou un milieu) est modélisée par la loi de Beer-Lambert :

  • I0 est l'intensité incidente de la radiation λ, et I est l'intensité sortante ;
  • µ est le coefficient d'absorption (il dépend du type de substance et de λ) ;
  • ρ est la masse volumique (de la substance) ;
  • x est la distance parcourue (dans la substance).

On peut typiquement étudier les propriétés des substances chimiques en fonction de la concentration de différentes espèces (analyse quantitative) et/ou de l'environnement chimique de l'échantillon (analyse qualitative).

Analyse qualitative

Connaissant la densité d'un produit et le chemin x parcouru par la lumière, si l'on mesure l'intensité sortant du produit, on peut déterminer le coefficient d'absorption pour la longueur d'onde considérée.

Les pics d'absorption (maxima de µ) correspondent à des transitions électroniques (quantifiées), et sont donc caractéristiques de la nature des atomes et de leurs liaisons chimiques.

Ceci permet de reconnaître la nature chimique de certains produits. C'est notamment l'absorption de longueurs d'onde données de la lumière solaire qui a permis de découvrir que le Soleil était entouré de gaz, ce qui amena à la découverte de l'hélium.

Analyse quantitative

Supposons que l'on ait :

  • un produit 1 ayant un coefficient d'absorption µ1 très important pour une longueur d'onde λ1 et négligeable pour λ2 ;
  • un produit 2 ayant à l'inverse un coefficient µ2 d'absorption négligeable pour λ1 mais très important pour λ2 ;

alors, pour un mélange des produits 1 et 2, avec une masse volumique respective ρ1 et ρ2, on aura :

.

La mesure des intensités respectives de λ1 et λ2 permet donc de déterminer ρ1 et ρ2, et donc de déterminer les proportions du mélange. Cela nécessite un étalonnage afin de s'abstraire de l'intensité I0(λ) et de l'absorption propre de l'appareil. On travaille en général en rapport d'intensité :

soit

.

La deuxième équation est celle donnant la masse volumique totale ρ :

ρ = ρ1 + ρ2.

D'une manière générale, si l'on a un mélange de n produits ayant chacun un pic d'absorption caractéristique pour une longueur d'onde donnée λi, on a alors un système de n équations à résoudre :

et

.

Applications

Outre l'analyse chimique, on utilise cette méthode pour déterminer le pourcentage d'oxygénation du sang (oxymétrie).

Références

  1. Richard Koplík, Advanced strategies in food analysis, Atomic spectrometry, http://web.vscht.cz/~poustkaj/en%20asfa%20au%20koplik%20atomic%20spectrometry.pdf
  2. Douglas Skoog, Donald West, F. James Holler, Chimie analytique, De Boeck Supérieur, 1997
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