Raman Basics

Guide de la spectroscopie Raman

Brève description sur les principes fondamentaux de la spectroscopie Raman et une explication sur la façon dont l’interaction de la lumière avec les liaisons chimiques est utilisée pour l’analyse chimique.

Notions de base de la spectroscopie Raman

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Qu’est-ce que la spectroscopie Raman?

Les fondamentaux de Raman

La spectroscopie Raman est une technique d'analyse de spectroscopie vibrationnelle.

Contrairement à la spectroscopie IR, la spectroscopie Raman est une méthode d’analyse chimique non invasive.

La spectroscopie Raman est une spectroscopie de diffusion. Les photons Raman sont émis lors de l’illumination d’un échantillon par une source laser (Proche IR - Visible et UV) par l'intermédiaire du phénomène de diffusion inélastique de la lumière. Cette technique permet une très bonne résolution spatiale pour l'analyse de petits échantillons.

Le gain ou la perte d’énergie des photons inélastiques émis par rapport aux photons incidents se traduit sur les spectres Raman par un déplacement en fréquence.

Les bandes Raman observées ont un déplacement en fréquence donné (ν0 - νinelast)  correspond à l’écart en énergie entre les niveaux vibrationnels de la molécule analysée.

C’est ce qu’on appelle: l’effet Raman. Nous pouvons maintenant recueillir cette lumière et l’utiliser pour obtenir des informations sur l’échantillon.

L’effet Raman

Lorsque les photons (lumière) « heurte » la matière, Une grande partie de ces photons diffusés ne changent pas de longueur d’onde, ils gardent la même énergie.

Par exemple, si vous pointez un pointeur laser vert sur un mur, vous verrez toujours un point vert. La lumière dispersée a la même couleur, par conséquent s'il n'y a pas d'échange d'énergie entre la molécule et le photon incident, alors la diffusion est dite élastique et la longueur d'onde du photon diffusé n'est pas décalée, ce phénomène est appelé diffusion Rayleigh.

Cependant, un autre phénomène apparaît qui concerne une petite partie des photons, qui est diffusée avec une longueur d’onde différente. Dans ce cas, les photons échangent de l’énergie avec les électrons des atomes de l’échantillon, cela se produit généralement par rapport aux vibrations moléculaires. On parle aussi de diffusion inélastique.

Ce phénomène de dispersion, prédit par Adolf Smekal en 1923 et découvert par C.V. Raman en 1930, s’appelle C’est l’effet Raman.

Utilisation de l’effet Raman pour la spectroscopie

La découverte et la compréhension de l’effet Raman ont ouvert la porte à un nouveau type de spectroscopie.

Cependant, ce n’est qu’avec la découverte du laser que la spectroscopie Raman s'est vraiment développée, puisque, comme mentionné précédemment, la spectroscopie Raman nécessite une lumière monochromatique.

Ainsi, l’échantillon est irradié avec un laser et une partie de la lumière dispersée est analysée à l’aide d’un spectromètre (technologie dispersive ou FT).

Finalement, nous obtenons un spectre Raman qui nous montre des « bandes » caractéristiques du matériau étudié.

Le signal obtenu en spectroscopie Raman est extrêmement sensible à la polarisation de la lumière, à la longueur d'onde utilisée ainsi qu'à la qualité de la chaîne d'acquisition des signaux optiques (optique, filtres, CCD, etc).

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Comment fonctionne la spectroscopie Raman?

Cette figure montre la configuration la plus basique pour mesurer les spectres de Raman.

Étonnamment, il est en fait assez simple de construire un spectromètre Raman! Si vous regardez sur YouTube, vous trouverez même des vidéos de bricolage qui vous montreront comment configurer une expérience très basique pour acquérir des données spectrales.

C’est pourquoi vous trouverez des spectromètres Raman sous presque toutes les formes : des ordinateurs de poche Raman, des microscopes et des spectromètres de process.

Pour acquérir des spectres Raman, il vous suffit de concentrer le laser sur l’échantillon que vous voulez étudier. Cet échantillon, cependant, ne doit pas générer de fluorescence avec le laser d'excitation. Si c’est le cas, la fluorescence crée des interférences problématiques et couvrira la majeure partie de l’effet Raman, car il est faible en comparaison.

Après que la lumière laser a irradié l’échantillon, la lumière dispersée est passée par un filtre (pour se débarrasser de toute la lumière du laser d’excitation). Ensuite, il est dirigé sur une grille, qui distribue les parties inélastiques comme un prisme et selon la longueur d’onde. À la fin, ces rayons sont dirigés vers un capteur CCD qui produit ensuite un spectre en fonction de l’intensité.

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À quoi ressemble un spectre Raman ?

Spectres Raman d’un échantillon de diméthicone (bleu) par rapport à une référence d’une bibliothèque spectrale. L’identification est sans ambiguitée.

Au début, nous avons mentionné qu’un spectre Raman contient certaines « bandes » ou des signaux. Ceux-ci sont uniques pour certains groupes fonctionnels et souvent aussi pour les substances. Ils fournissent des informations sur la composition chimique de la substance, mais aussi sur la cristallinité, le polymorphisme ou les changements de pression et de température.

Un spectre Raman est un outil puissant pour la recherche sur les matériaux, le développement de nouveaux produits pharmaceutiques et partout où des microanalyses chimiques jusqu’à la gamme nanométrique sont nécessaires.

La spectroscopie Raman peut analyser des échantillons jusqu’à 0,5 μm (500 nm). Tout ce dont vous avez besoin, c’est d’un microscope Confocal Raman.

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À propos de la microscopie Raman

Le microscope confocal Raman SENTERRA II avec boîtier de sécurité laser.

Typiquement, la lumière laser utilisée dans la spectroscopie raman est dans la gamme du visible, ce qui signifie que le verre est transparent et est utilisé comme support et la préparation des échantillons. Par conséquent, il est tout à fait possible d’intégrer un spectromètre Raman dans l’optique d’un microscope standard.

En fait, souvent un microscope est préféré à un banc optique Raman autonome, car il offre une approche « visualisation et mesurer » et ne nécessite peu de préparation de l'échantillon. L’échantillon (par ex. les fibres de graphène) est placé sous l'objectif du microscope et est directement analysé.

Autrement dit, un microscope Raman est un dispositif microscopique à base de laser pour effectuer la spectroscopie Raman.

Pour Bruker, la microscopie et l’imagerie Raman jouent un rôle central, c’est pourquoi nous lui avons dédié un site Web spécial.

Faq sur la spectroscopie Raman

Résumés

Questions fréquemment posées sur la spectroscopie Raman

Qu’est-ce que la spectroscopie Raman?

La  spectroscopie  Raman  permet  de  connaitre  les  états  transitoires  de  vibrations  et  de  rotations  d’une  molécule  excitée  par  une  source  lumineuse  monochromatique  du  type  laser. Cela donne des informations détaillées sur la structure chimique, identification de phases ou de composés chimiques, caractérisation des matériaux, détermination de la structure cristalline, étude des systèmes amorphes et cristallins le polymorphisme, la cristallinité et la dynamique moléculaire.

Quelles informations sont fournies par la spectroscopie Raman?

Un spectre Raman est comme une empreinte chimique qui identifie clairement une molécule ou un matériau. Et tout comme une empreinte humaine, il peut être comparé avec les bibliothèques de référence pour identifier le matériau très rapidement ou le distinguer des autres. Ces bibliothèques spectrales Raman contiennent souvent des centaines de spectres avec lesquels le spectre d’un échantillon est comparé pour déterminer l’analyte.

Il fournit un aperçu des points de vue d’un échantillon :

  • Composition et propriétés chimiques
  • Cristallinité et polymorphisme
  • Contaminations et défauts
  • Exposition thermique et mécanique

Y a-t-il des exigences en matière d’échantillons?

La spectroscopie Raman est une technique d’échantillonnage universelle et permet de caratériser les deux matériaux inorganiques et organiques. Cependant, puisqu’il est basé sur un effet Raman plutôt faible, d’autres effets spectroscopiques et certaines propriétés matérielles peuvent interférer de façon critique.
En cas de fluorescence de l’échantillon, l’échantillon ne produira pas un spectre  Raman correct.

Cependant, en changeant le laser d'excitation dans le proche infrarouge (NIR) associé à la technologie FT-Raman, des résultats plus probant peuvent être obtenus. Un autre problème, plus important, l'analyse d'échantillon très absorbant (p. ex. noir) , par exemple les polymères chargés de carbone.

Quel est le temps nécessaire pour obtenir un spectre Raman?

Le temps requis pour une mesure Raman dépend de plusieurs facteurs, tels que la qualité spectrale souhaitée, les propriétés de l’échantillon et bien sûr le spectromètre Raman utilisé. En règle générale, les spectres Raman de bonnes qualités peuvent être acquis en quelques secondes.

Quelles sont les applications de la spectroscopie Raman?

La spectroscopie Raman peut être utilisée dans tous les domaines où l’analyse chimique non destructive (microscopique) et l’imagerie sont nécessaires. Il fournit des réponses pour des questions analytiques qualitatives et quantitatives.

En général, la spectroscopie Raman est facile à utiliser et fournit rapidement des informations clés pour caractériser la composition chimique et la structure d’un échantillon. Fondamentalement, il importe peu si les échantillons sont solides, liquides ou gazeux.

Voici quelques applications de la spectroscopie Raman :

  • Pharmaceutiques
  • Géologie et minéralogie
  • Semi-conducteurs
  • Recherche sur les matériaux
  • Sciences de la vie