Spectroscopie ultraviolet-visible
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La spectroscopie ultraviolet-visible ou spectrométrie ultraviolet-visible est une technique de spectroscopie mettant en jeu les photons dont les longeurs d'onde sont dans le domaine des UV-A (400 nm – 315 nm) jusqu'au proche infrarouge (750 nm -1400 nm). Soumises à un rayonnement dans cette gamme de longueurs d'onde, les molécules subissent une transition électronique. Cette technique est complémentaire de la spectroscopie de fluorescence en ce sens que la fluorescence met en jeu des transitions depuis l'état excité jusqu'à l'état fondamental alors que la spectroscopie d'absorption traite des transitions entre état fondamental et état excité[1].
Applications
La spectroscopie ultraviolet-visible est une méthode utilisée en routine pour l'étude quantitative des solutions de métaux de transition et des composés organiques fortement conjugués :
- les solutions d'ions de métaux de transition peuvent être colorés (c'est-à-dire absorbent la lumière visible) car les électrons des atomes métalliques peuvent être excités d'un état électronique à un autre. La couleur des solutions d'ions métalliques est fortement affectée par la présence d'autres espèces, comme certains anions ou ligands. Ainsi, la couleur d'une solution diluée de sulfate de cuivre est d'un bleu très clair ; l'ajout d'ammoniaque intensifie la couleur et modifie la longueur d'onde du maximum d'absorption (λmax).
- les composés organiques, et en particulier ceux présentant un haut degré de conjuguaison, absorbent aussi dans les régions visible et ultraviolette du spectre électromagnétique. Les solvants utilisés pour leur analyse sont par exemple l'eau pour les composés qui y sont solubles, ou l'éthanol pour les composés organiques hydrophobes (les solvants organiques peuvent avoir une absorption UV significative : tous les solvants ne sont donc pas pertinents pour une spectroscopie UV. L'éthanol absorbe très peu à la plupart des longueurs d'ondes). La polarité du solvant ou l'acidité peuvent affecter le spectre d'absorption d'un composé organique. La tyrosine, par exemple, voit son maximum d'absorption et son coefficient d'extinction molaire croitre lorsque le pH croît de 6 à 13 ou lorsque la polarité du solvant décroît.
- les complexes à transfert de charge donnent aussi des solutions colorées, mais ces couleurs sont parfois trop intenses pour être utilisées pour des mesures quantitatives.
La loi de Beer-Lambert indique que l'absorbance d'une solution est directement proportionnelle à sa concentration. La spectroscopie UV-visble peut dont être utilisée pour déterminer cette concentration. Il est nécessaire de connaître la variabilité de l'absorbance avec cette concentration : ceci peut se faire à partir de références (tables de coefficients d'extinction molaire) ou, plus précisément, à partir de l'obtention d'une courbe de calibration.
Un spectrophotomètre UV-visible peut être utilisé comme détecteur pour une HPLC. La présence d'un analyte donne une réponse que l'on peut supposer proportionnelle à la concentration. Pour des résultats précis, la réponse de l'instrument à l'analyte dans la solution inconnue doit être comparée à un standard : c'est assez similaire à l'utilisation de courbes de calibration. La réponse (la hauteur de pic) pour une concentration donnée est connue sous le nom de facteur de réponse.
Loi de Beer-Lambert
La technique d'analyse est souvent utilisée dans un mode quantitatif pour déterminer la concentration d'une entité chimique en solution, en utilisant la Loi de Beer-Lambert :
où I/I0 est la transmittance de la solution (sans unité), A est l’absorbance ou densité optique à une longueur d'onde λ (sans unité), ελ est le coefficient d'extinction molaire (en L.mol−1·cm−1). Il dépend de la longueur d'onde, la nature chimique de l'entité et la température. Cette constante représente une propriété moléculaire fondamentale dans un solvant donné, à une température et une pression donnée et s'exprime en M-1.cm ou parfois en AU/M.cm. ℓ est la longueur du trajet optique dans la solution traversée, elle correspond à l'épaisseur de la cuve utilisée (en cm). C est la concentration molaire de la solution (en mol.L−1). Dans le cas d'un gaz, C peut être exprimée comme un volume inverse (unités de longueur réciproque au cube, cm−3).
Cette équation est très utile pour la chimie analytique. En effet, si ℓ et ελ sont connus, la concentration d'une substance peut être déduite de la quantité de lumière transmise par elle.
L'absorbance et le coefficient d'extinction ελ sont parfois définis avec les logarithmes naturels au lieu des logarithmes décimaux.
La loi de Beer-Lambert, utile pour caractériser de nombreux composés, ne doit pas être considérée comme une relation universelle pour caractériser la concentration et l'absorption de toutes les substances. Une relation polynomiale du deuxième ordre entre le coefficient d'extinction et la concentration est parfois considérée pour les très grandes molécules complexes, par exemple les colorants organiques comme le xylénol orange ou le rouge neutre.
Les spectrophotomètres UV-visible
L'instrument utilisé pour effectuer de la spectroscopie ultraviolet-visible est appelé spectrophotomètre ultraviolet-visible. Il mesure l'intensité de la lumière ( ) passant au travers d'un échantillon et la compare à l'intensité de la lumière avant ce passage ( ). Le rapport est appelé transmittance, et est habituellement exprimé comme un pourcentage (%T). L'absorbance, , est exprimée à partir de la transmittance :
Les éléments de base du spectrophotomètre sont une source lumineuse, un soutien pour l'échantillon, un réseau de diffraction ou un monochromateur afin de séparer les différentes longueurs d'ondes de la lumière, et un détecteur. La source de radiation est parfois un filament de tungstène (émettant dans la zone 350-2500 nm), une lampe à arc au deutérium qui émet en continue sur la région ultraviolet (190-400 nm), et plus récemment des diodes électro-luminescentes (DEL) et des lampes à arc au xénon[2] pour les longueurs d'ondes du visible. Le détecteur est typiquement une photodiode ou un CCD. Les photodiodes sont utilisées avec des monochromateurs, qui filtrent la lumière de telle manière qu'une seule longueur d'onde est perçue par le détecteur. Les filtres de diffraction sont utilisés avec des CCD, qui collectent la lumière de différentes longueurs d'ondes sur différents pixels.
Un spectrophotomètre peut être soit à faisceau unique soit à faisceau double. Dans un instrument à faisceau simple, toute la lumière passe par la cellule d'échantillonnage. doit être mesurée par retrait de l'échantillon. Ce procédé est le premier qui fut utilisé, mais reste commun à la fois dans l'enseignement et les laboratoires industriels. Dans un instrument à double faisceau, la lumière est séparée en deux faisceaux avant d'atteindre l'échantillon. L'un des faisceaux est utilisé comme référence, l'autre passe par l'échantillon. Certains instruments à double faisceau ont deux détecteurs (photodiodes), et les faisceaux de référence et d'échantillonnage sont mesurés en même temps. Dans d'autres instruments, les deux faisceaux passent par un séparateur optique, qui bloque l'un des faisceaux à la fois. Le détecteur alterne entre la mesure du faisceau d'échantillonnage et celui de référence.
Les échantillons pour la spectrophotométrie UV-visible sont la plupart du temps liquides, bien que l'absorbance de gaz ou de solides puisse également être mesurée. Les échantillons sont typiquement placés dans des cellules transparentes, connues parfois sous le nom de cuvettes. Ces cuvettes sont typiquement de forme rectangulaire, avec une largeur interne habituelle de 1 cm (la longueur L dans la loi de Beer-Lambert). Les tubes à essai peuvent aussi être utilisés comme cuvettes dans certains instruments. Le type de contenant d'échantillon utilisé doit permettre le passage des longueurs d'ondes de la plage d'intérêt. Les cuvettes les plus utilisées sont en général en silice fondue de haute qualité ou en quartz car ils sont tous deux transparents dans les régions visibles et proche-infrarouge. Les cuvettes en verre de silice et en plastique sont aussi commun, bien que le verre et la plupart des plastiques absorbent dans l'UV, ce qui limite leur usage au visible[3].
Spectre ultraviolet-visible
Un spectre ultraviolet-visible est pour l'essentiel un graphe d'une absorbance en fonction de la longueur d'onde dans les régions visible et ultraviolet. Un tel spectre peut parfois être produit directement par des spectrophotomètres sophistiqués, ou les données peuvent être collectées une longueur d'onde à la fois par des instruments plus simples. La longueur d'onde est parfois représentée par le symbole λ. De manière similaire, pour une substance donnée, un graphe standard du coefficient d'extinction (ε) en fonction de la longueur d'onde (λ) peut être tracé ou utilisé si un est disponible. Un tel graphe standard serait de manière effective « sans biais de concentration » Le modèle {{Guillemets}} ne doit pas être utilisé dans l'espace encyclopédique et donc indépendant de cette dernière.
Les lois de Woodward-Fieser sont un ensemble d'observations empiriques pouvant être utilisées afin de prédire λmax, la longueur d'onde de l'absorption UV-visible la plus importante, pour les composés organiques conjugués comme les diènes et cétones.
Les longueurs d'ondes des pics d'absorption peuvent être corrélées avec les types de liaisons dans une molécule donnée et sont valides pour déterminer les groupes fonctionnels dans une molécule. L'absorption UV-visible n'est pas, cependant, un test spécifique pour tout composé. La nature du solvant, le pH de la solution, la température, les hautes concentrations électrolytiques, et la présence de substances interférantes peuvent influencer les spectres d'absorption des composés, comme le peuvent les variations dans la largeur des fentes (largeur de bande effective) du spectrophotomètre.