Spectroscopie Raman

  • Introduction

    La spectroscopie Raman est utilisée pour identifier les différents produits chimiques et pour analyser quelle quantité d'une substance particulière est présente dans un échantillon. Chaque produit chimique possède une empreinte digitale distinctive, laquelle est comparée avec une base de données connue pour identification et quantification instantanées. Cette méthode peut s'appliquer aux solides, aux liquides ou aux poudres. Des échantillons dans la gamme des microlitres jusqu'aux grands objets peuvent être testés in situ, in vitro et in vivo sans contact physique avec eux ni les détruire. Même des examens sous-marins sont possibles. La méthode Raman peut aussi faire la distinction entre les isomères et ne nécessite aucune préparation de l'échantillon. 

  • La science

    Les rayonnements sont dispersés dans toutes les directions lors de l'interaction avec un échantillon. Les molécules commencent à bouger et vibrer lorsqu'elles sont irradiées par un rayonnement monochrome comme la lumière laser. Cette lumière interagit avec les vibrations moléculaires, ce qui provoque un décalage vers le haut ou le bas de l'énergie des photons laser. La capture de cette différence produit une empreinte digitale et un motif distinctifs qui aident à identifier le produit chimique particulier. Dans un spectre Raman, les liaisons notamment non polaires présentent des bandes intenses (C=C, N=N, O-O, S-S, P-P).

    L'effet Raman, nommé d'après le physicien indien C.V. Raman, est basé sur les déformations moléculaires dans le champ électrique E déterminé par l'aptitude à la polarisation moléculaire α. Le faisceau laser peut être considéré comme une onde électromagnétique oscillante avec le vecteur électrique E. Lors de l'interaction avec l'échantillon, il induit un moment de dipôle électrique P = αE qui déforme les molécules. Du fait de la déformation périodique, les molécules commencent à vibrer avec une fréquence caractéristique υm.

    L'amplitude de vibration est appelée un déplacement nucléaire. En d'autres termes, la lumière laser monochrome avec une fréquence υ0 excite les molécules et les transforme en dipôles oscillants.  

    Diffusion de Rayleigh

    Une molécule sans modes de Raman actifs absorbe un photon à la fréquence υ0. La molécule excitée retourne au même état vibratoire de base et émet de la lumière avec la même fréquence υ0 qu'une source d'excitation. Ce type d'interaction est appelé diffusion de Rayleigh.  

    Diffusion de Raman

    Un photon ayant une fréquence υ0 est absorbé par la molécule active Raman qui, au moment de l'interaction, se trouve dans l'état de vibration de base. Une partie de l'énergie du photon est transférée au mode actif Raman à la fréquence υm et la fréquence résultante de la lumière diffusée est réduite à υ0 - υm. Ce type d'interaction est appelé diffusion de Stokes.

    Si une molécule qui se trouve déjà dans l'état de vibration excité, l'énergie en excès du mode actif Raman excité est évacuée, la molécule retourne à état de vibration de base et la fréquence résultante de la lumière diffusée augmente à υ0 + υm. Ce type d'interaction est appelé diffusion anti-Stokes.

  • Exemples d'utilisation
    • Caractérisation de la composition d'un matériau et identification rapide des matériaux inconnus, par exemple dans les produits alimentaires ou les textiles
    • Sondage d'effets chimiques ténus, tels que la cristallinité, le polymorphisme, la phase, les contraintes ou les tensions intrinsèques, le repliement des protéines et les liaisons d'hydrogène
    • Analyse des échantillons tels que les pigments historiques ou des preuves médico-légales vitales
    • Analyse d'échantillons en couches, d'inclusions telles que celles trouvées dans le verre et les minéraux, d'échantillons minces sur un substrat et des matériaux dans des récipients en verre ou en plastique.