Principes de la spectroscopie Raman

La spectroscopie est une technique d'analyse qui utilise la lumière UV, visible ou infrarouge pour les mesures chimiques. Elle fournit une analyse chimique rapide, non-intrusive, non destructive et sans marquage d'un matériau. FBRM (Focused beam reflectance measurement), ultraviolet/visible (UV/Vis), proche infrarouge (NIR), infrarouge (RI) et Raman sont des exemples de spectroscopies largement utilisées dans les environnements industriels R&D ou de process.

Dans cette palette, les techniques de spectroscopie vibratoire - y compris NIR, IR et Raman - sont des outils puissants pour comprendre la composition et la structure moléculaire. NIR utilise les rayons proche infrarouges, IR utilise les rayons infrarouges et Raman utilise les rayons visibles ou proches infrarouges pour mesurer la composition chimique et la structure moléculaire.

La spectroscopie vibratoire est particulièrement intéressante, car elle fournit des informations chimiques spécifiques sans nécessiter une préparation importante des échantillons. La spectroscopie Raman, un type de spectroscopie vibratoire fournissant une empreinte moléculaire très spécifique, est similaire à la spectroscopie IR. Cependant, il existe des différences entre les spectroscopies Raman et IR, qui jouent sur leurs lieux d'utilisation dans les applications industrielles.

L'une des principales différences entre la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie Raman est l'influence de l'eau sur le spectre. L'eau absorbe fortement la lumière infrarouge, ce qui obscurcit souvent les signaux IR provenant d'un échantillon. En revanche, l'eau dispose d'un signal Raman faible, ce qui rend la spectroscopie Raman mieux adaptée aux mesures dans les solutions aqueuses. Une autre différence réside dans les longueurs d'onde utilisées : la spectroscopie Raman emploie des longueurs d'onde visibles ou proche infrarouges, ce qui permet l'utilisation de fibres optiques et de détecteurs standard. Par contre, la spectroscopie IR nécessite des fibres et des détecteurs spéciaux en raison de l'utilisation de longueurs d'onde infrarouges. La spectroscopie Raman est donc idéale pour la surveillance à distance et pour les installations où le détecteur et la sonde sont très éloignés l'un de l'autre.

Lorsque la lumière interagit avec une molécule, elle peut être réfractée, absorbée ou diffusée. Lorsque la lumière est diffusée, la plupart des photos n'interagissent pas avec les molécules et « rebondissent » simplement dessus. Ce phénomène est connu sous le nom de diffusion de Rayleigh ou diffusion élastique. Une petite fraction de la lumière subit une diffusion inélastique, où les photons interagissent avec les vibrations moléculaires ou les rotations, ce qui entraîne des décalages d'énergie. Ces décalages forment un spectre Raman, qui sert d'empreinte moléculaire. La plupart des instruments de spectroscopie Raman mesurent ces vibrations moléculaires.

Diffusion Raman
Découverte en 1928 par C.V. Raman et K.S. Krishnan, la diffusion Raman décrit la façon dont une petite partie de la lumière diffusée par une molécule change de fréquence du fait du transfert d'énergie avec les vibrations moléculaires. Les premières études Raman ont été réalisées en utilisant la lumière du soleil comme source lumineuse et un équipement photographique. La « faiblesse excessive de l'effet » a été reconnue dans le papier original par Raman et Krishnan. Il n'était pas rare que les chercheurs passent des heures ou même des jours à collecter un spectre unique. L'arrivée des lasers, des détecteurs sensibles et des éléments optiques holographiques rapides a amélioré la vitesse, la résolution et la sensibilité de la spectroscopie Raman. Aujourd'hui, un spectre Raman unique peut être mesuré en minutes, voire en secondes. 

Le process de diffusion
L'interaction d'un photon avec une molécule peut entraîner l'excitation d'un électron et placer la molécule dans un état énergétique virtuel. Si l'électron revient à un niveau vibratoire différent, le photon diffusé présente une énergie différente, basée sur l'énergie initiale de la vibration moléculaire.

• Diffusion Stokes : le photon perd son énergie (le plus courant)
• Diffusion anti-Stokes : le photon gagne en énergie (moins intense)

Ces différences d'énergie sont appelées décalages Raman, exprimés en nombres d'onde (cm⁻¹) dans un spectre. Les molécules présentant de nombreuses vibrations, chacune avec des énergies différentes, ces décalages fournissent des informations sur divers groupes fonctionnels au sein de la molécule.

Énergies vibratoires
L'énergie vibratoire dépend de plusieurs propriétés moléculaires :

• Masse atomique
• Indice de liaison
• Géométrie moléculaire
• Liaison hydrogène

La spectroscopie Raman peut mesurer divers aspects de composition et de structure d'une molécule, comprenant à la fois le squelette et les chaînes latérales, ce qui la rend utile dans des domaines tels que la science des matériaux, les polymères, les huiles alimentaires et la biochimie.

Règles de sélection
Une vibration est active en Raman si elle entraîne un changement de polarisabilité. Généralement, les élongations ou vibrations symétriques sont actives en Raman. Ce mécanisme complète la spectroscopie IR, où la vibration doit changer le moment dipolaire et entraîne généralement des vibrations asymétriques.

• Bons diffuseurs Raman : molécules avec nuages électroniques délocalisés (p. ex. liaisons C=C)
• Faibles diffuseurs : liaisons très polarisées (p. ex. O–H)

Des variantes de la spectroscopie Raman continuent d'être développées pour améliorer le signal Raman ou réduire l'interférence de fluorescence. Deux approches d'amélioration importantes sont la diffusion Raman de résonance et la diffusion Raman exaltée de surface.  

Diffusion Raman de résonance (RR)
Lorsque le laser d'excitation correspond à une transition électronique, certains modes vibrationnels sont amplifiés —à des facteurs de 10² à 10⁴. Cette technique est utile pour étudier les chromophores et les composés aromatiques.

Diffusion Raman exaltée de surface (SERS)
SERS amplifie le signal Raman de 10³–10⁶× lorsque les molécules sont proches de surfaces métalliques nanostructurées (p. ex. argent, or). Cela permet de détecter les concentrations micromolaires, mais son utilisation est limitée par la chimie des surfaces et la cinétique d'adsorption.

À l'origine, la spectroscopie Raman était utilisée pour l'analyse qualitative — identification des espèces chimiques par leurs empreintes spectrales. Cependant, les progrès en technologie holographique, les analyseurs à haut rendement et l'analyse des données multivariées ont permis la spectroscopie Raman quantitative.

• Qualitative : identifie les composants
• Quantitative : mesure les concentrations en temps réel

Depuis son apparition dans le secteur industriel au milieu des années 1990, la spectroscopie Raman basée sur les instruments modernes à dispersion est utilisée pour résoudre les problèmes d'identification, de quantification et de surveillance des process. Les premières applications étaient étroitement liées à celles déjà analysées par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ou FT-Raman, car Raman fournit des informations similaires sur la composition et la structure moléculaire.

Dans nombre de ces premiers rapports, la méthode Raman n'a été testée qu'après la mise en évidence des limites de mise en œuvre de FTIR ou FT-Raman, p. ex. l'encrassement de la sonde de prélèvement, la puissance laser élevée ou l'incompatibilité avec les systèmes aqueux. Après les succès initiaux, l'industrie a misé de plus en plus sur la technique Raman et la robustesse de son équipement, et les analyses des process ou produits basées sur Raman ont été plus largement adoptées.

Aujourd'hui, la spectroscopie Raman est reconnue pour fournir une spécificité similaire à FTIR avec la facilité de mesure de la spectroscopie NIR. Une approche actuelle considère Raman comme la technologie analytique des procédés (PAT) de premier choix, et non pas comme une PAT de dernier recours.

Raman offre plusieurs avantages clés :

• Spécificité : les pics nets sans chevauchement permettent une identification précise
• Compatibilité avec l'eau : interférence minimale des pics d'eau
• Large gamme de concentration : de < 1 % à 100 % sans dilution
• Pas de préparation des échantillons : analyse sans contact, non destructive
• Rapidité : spectre acquis en quelques secondes ou minutes
• Polyvalence : fonctionne avec des conteneurs standards (verre, saphir, polymères)
• Quantitatif : l'intensité du signal est proportionnelle à la concentration moléculaire

Étant donné que la spectroscopie Raman utilise une lumière visible ou proche infrarouge, elle peut être utilisée avec de nombreux types d'instruments. Les spectres Raman peuvent être mesurés à l'aide d'instruments à dispersion combinés à un microscope, une unité manuelle ou portable, ou des sondes de mesure à fibre optique.

Un système Raman comprend :

• Source d'excitation laser
• Options de systèmes d'excitation
• Interface de prélèvement (p. ex. objectif de microscope, élément optique à immersion, sonde sans contact, chambre de passage)
• Éléments optiques de collecte
• Dispositif de séparation des longueurs d'onde (spectrographe par exemple)
• Détecteur et système électronique
• Logiciel d'acquisition et d'analyse des données

La spectroscopie Raman est un outil d'analyse polyvalent utilisé dans les solides, les liquides, les gaz et les milieux complexes pour un large éventail d'industries et de domaines de recherche.

Phases du matériau
La spectroscopie Raman peut être utilisée pour une large gamme de matériaux, notamment :

• Solides : particules, granulés, films, fibres
• Liquides : solutions, gels, pâtes
• Gaz
• Produits en phase mixte : suspension, boues, cultures cellulaires

Applications industrielles
La spectroscopie Raman joue un rôle essentiel dans de nombreux secteurs industriels, notamment :

• Secteur pharmaceutique : surveillance de la réaction API, traitement des doses solides, identification polymorphe, optimisation de la formulation, PAT
• Bioprocédés : surveillance et contrôle de la culture cellulaire en amont, structure d'ordre plus élevée, préparation des fluides, concentration de protéines cible, formulation de produits, PAT
• Investigation industrielle : identification des matériaux défectueux, identification polymorphe, agrégats, falsification
• Semi-conducteurs : analyse des tensions/contraintes, caractérisation du matériau
• Polymères et nanotechnologie : suivi des réactions, analyse structurelle, contrôle qualité, cristallinité
• Produits chimiques spéciaux : synthèse de l'ammoniac, production de méthanol, surveillance de la réaction chimique, cristallisation, production d'oléfines
• Sciences de l'environnement et de la géologie : captage, utilisation et stockage du carbone
• Agroalimentaire : qualité des huiles alimentaires, chocolat, viandes cultivées, falsification, surveillance et contrôle de la fermentation
• Pétrole et gaz : raffinage, adoucissement des amines, production de gaz naturel

Repousser les limites
Aujourd'hui, la réponse à la question de savoir si la spectroscopie Raman convient à tel ou tel problème de mesure est généralement « Oui ». La fiabilité de l'équipement, la multitude de modalités de mesure des échantillons, la transférabilité des modèles et les faibles coûts opérationnels font de la spectroscopie Raman un outil d'analyse attractif. Alors que la spectroscopie Raman continue d'évoluer, de nouveaux progrès en matière d'instrumentation et d'applications augmentent son impact dans le milieu clinique, de la recherche et des laboratoires. Les nouvelles utilisations se font dans les domaines biomédicaux tels que l'analyse des tissus et le diagnostic des maladies, ainsi que pour la conservation des œuvres d'art par l'identification du pigment et du matériau.

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