Analyse par infra-rouge

Les rayonnements électro-magnétiques

Les rayonnements électromagnétiques sont des champs électriques et magnétiques dont l'amplitude varie de manière sinusoïdale. Ils sont caractérisés par leur intensité, et leur fréquence (ou leur longueur d'onde).
Le rayonnement électro-magnétique le plus commun est la lumière visible. La lumière solaire nous apparaît blanche, mais est en fait un mélange de rayonnements de longueurs d'onde différents. Ceux-ci sont séparés par certains dispositifs tels qu'un prisme, un réseau interférentiel, ou un rideau de pluie qui produit un arc en ciel. Les rayonnements visibles de différentes longueurs d'ondes nous apparaissent sous forme de couleurs dont on identifie sept couleurs principales:

    

Les couleurs de l'arc en ciel

Couleur	longueur d'onde [nm]
Violet	400 - 420
Indigo	420 - 440
Bleu	440 - 490
Vert	490 - 570
Jaune	570 - 585
Orange	585 - 620
Rouge	620 - 780

 
Les rayonnements électromagnétiques ne sont pas limités à la lumière visible; des rayonnements électromagnétiques existent pour des longueurs d'ondes inférieures et supérieures au spectre visible:

Les rayonnements électro-magnétiques sont des vecteurs d'énergie; il faut apporter de l'énergie pour les produire, et leur absorption par un corps lui apporte une énergie.
L'énergie véhiculée par un rayonnement électromagnétique est quantifiée par l'énergie du photon associé:
E = h∙ν
avec:
E: énergie du photon [J]
h: constante de Planck = 6,62607015 × 10⁻³⁴ J s
ν: fréquence du rayonnement [Hz]

Fréquence ou longueur d'onde

Le rayonnement électromagnétique est indifférement caractérisé par:

• sa fréquence (ν)
• sa longueur d'onde (λ) qui est la longueur arcourue par l'onde durant une période
• son nombre d'onde (σ) qui est le nombre d'oscillations par unité de longueur

Ces trois valeurs sont reliées entre elles par les relations suivantes:

λ = c/ν

σ = 1/λ

avec:
c: vitesse de la lumière = 3 × 10⁸ m/s

Le rayonnement infra-rouge

Le rayonnement infra-rouge (IR) est connu pour être un vecteur de chaleur; il est émis par des corps chauds, et élève la température des corps qui l'absorbent.
Lorsqu'il est absorbé par un gaz ou un liquide, le rayonnement infra-rouge est capable de provoquer la vibration de liaisons covalentes de substances; les liaisons covalentes des atomes dans une molécule ne sont pas des liaisons rigides, mais sont comme des ressorts, capables de légers mouvements autour d'une position d'équilibre. Ce mouvement peut se faire dans deux directions principales:

• dans la direction de la liaison (étirement, stretching)
• perpendiculairement à la liaison (fléchissement, bending)

L'absorption du rayonnement par une liaison covalente est maximum pour une certaine fréquence caractéristique de la nature et de l'environnement des atomes impliqués.

Liaison	Nombre d'onde [cm-1]	Longueur d'onde [nm]	Fréquence [Hz]
C−C	1000	10000	3 × 1013	étirement, faible intensité
C=C	1600	6250	4,8 × 1013	étirement
C≡C	2200	4600	6,5 × 1013	étirement
C=O	1700	5900	5 × 1013
C−O−	1100	9100	3,3 × 1013	étirement
C−H	3000	3300	9 × 1013	étirement
C−H	1400	7100	4,2 × 1013	fléchissement
C−Cl	800	12500	2,4 × 1013
C−Br	550	18200	1,6 × 1013
C−I	500	20000	1,5 × 1013
C≡N	2200	4600	6,5 × 1013
C=N	1600	6250	4,8 × 1013
C−N	1100	9100	3,3 × 1013

Un groupe d'atomes présentera plusieurs fréquences d'absorption caractéristiques correspondant à différents types et différentes combinaisons de vibrations.
L'intensité de l'absorption de la substance en fonction de la longueur d'onde du rayonnement infra-rouge constitue un spectre caractéristique de la substance.

Mise en oeuvre de l'analyse infra-rouge

La spectroscopie infra-rouge est souvent utilisée pour caractériser des substances organiques. L'analyse infra-rouge n'est pas utilisable pour des métaux ou des gaz monoatomiques (Hélium, Néon, Argon, Krypton, Xénon, Radon).
L'analyse infra-rouge peut être faite sur des échantillons liquides, gazeux ou solides. On pourra enregistrer la transmission du rayonnement au travers d'un échantillon, ou bien sa réflexion (technique ATR).

Transmission

Le verre absorbe le rayonnement infra-rouge; l'échantillon sera contenu dans une cellule en chlorure de sodium.
Un échantillon liquide pourra être disposé en une fine couche entre deux lames transparentes en chlorure de sodium, ou bien dilué dans un solvant n'interférant pas avec le spectre de la substance à analyser; les solvants chlorés (tétrachlorure de carbone, chloroforme, tétrachloréthylène) sont les plus couramment utilisés.
Un échantillon solide pourra être incorporé dans une matrice en bromure de potassium puis conditionné sous la forme d'un disque mince réalisé sous pression.
L'échantillon analysé devra être suffisament dilué ou d'une épaisseur suffisament faible pour que le rayonnement ne soit pas totalement absorbé.

Reflexion (ATR)

Le rayonnement est dirigée vers un cristal d'un matériaux transparents aux infra-rouges (p. ex. diamant). il suffit de placer l'échantillon, qu'il soit solide, liquide, organique ou inorganique sur le cristal, sans le couper, diluer ou le préparer. Le rayonnement interagira ensuite avec l'échantillon qui est en contact étroit avec ce cristal.
Contrairement à la méthode par transmission, l'épaisseur de matériau traversé par le rayonnement n'est pas définie, ce qui en fait une méthode particulièrement adaptée aux matériaux denses.

Spectre en proche IR (NIR)

NIR est l'acronyme anglo-saxon de Narrow Infra Red et signifie que le faisceau de mesure est compris entre les longueurs d'onde 1200 et 2200 nm.

Analyseurs NDIR

NDIR est l'acronyme anglo-saxon de Non Dispersive Infra Red signifiant que l'analyseur n'utilise pas un faisceau monochromatique (une seule longueur d'onde sélectionnée); le faisceau est polychromatique et seulement filtré en amont du détecteur pour sélectionner les longueurs d'ondes adéquat pour la substance à mesurer.