Spectrophotométrie UV

L'analyse spectrophotométrique est fondée sur l'étude du changement d'absorption de la lumière par un milieu, en fonction de la variation de la concentration d'un constituant. On détermine la concentration d'une substance en mesurant l'absorption relative de la lumière par rapport à celle d'une substance de concentration connue. On ne mesure pas directement ce nombre, mais on procède à un étalonnage en utilisant des mélanges étalons de concentrations connues des molécules que l’on veut doser. Ces étalons sont placés dans des cellules d’absorption traversées par le rayonnement UV-VIS.

Le domaine du spectre ultraviolet utilisable en analyse s'étend environ de 190 à 400 nm et le domaine du spectre visible s'étend quant à lui de de 400 à 800 nm environ.

À une longueur d’onde où la molécule absorbe, il existe une loi simple entre quantité de rayonnement transmis par le milieu et concentration des molécules qui absorbent: la loi de beer-lambert

Aλ = log (I0 / I) = log (100 / T) = ελ.l.C

Avec:

Aλ→ Absorbance du milieu à la longueur d’onde λ (sans unité)
ελ→coefficient spécifique d’absorbance molaire (L.mol-1.cm-1)
C→concentration molaire des molécules qui absorbent à la longueur d’onde λ (mol.L-1)
l →trajet optique de la cellule (cm)

T → transmittance (souvent exprimée en %)
I→Intensité de la lumière transmise à la longueur d’onde λ (I < I0 )
I0→Intensité de la lumière incidente à la longueur d’onde λ

 

Un spectrophotomètre comprend 4 parties essentielles:

  • une source lumineuse (génération d’une large bande de radiation)
  • un porte échantillon (ou cuve)
  • une unité de dispersion (monochromateur ou polychromateur)
  • un détecteur (mesure de l’intensité de la radiation)

 

  1. La source lumineuse

La source lumineuse idéale consiste à production une intensité constante à toutes les longueurs d’onde, avec un faible bruit et une bonne stabilité. Afin d'atteindre au maximum ces objectifs les sources de rayonnement sont constituées généralement de deux lampes pour couvrir tout le domaine UV-VIS:

  • Dans le domaine UV, on utilise une lampe au deutérium(domaine spectral : 190 à 400 nm)
  • Dans le visible, on utilise la lampe à filament de tungstène(domaine spectral : 350 à 1300 nm)
  • Dans certains cas, on peut n’utiliser qu’une seule lampe comme la lampe au xénon à haute pression, dont le spectre couvre tout le domaine UV-VIS.
  1. Les unités de dispersion

Le but d’une unité de dispersion est de sélectionner une longueur d’onde parmi le spectre du rayonnement incident
Deux types d’unité de dispersion sont utilisés :

  •  les prismes (qui ne sont plus utilisés dans les appareils récents), qui génèrent un arc-en-ciel à partir de la lumière du soleil

 

  •  les réseaux (unité de verre spécifique sur laquelle des rainures très étroites sont tracées)

 

Les unités de dispersion sont utilisés dans deux types de montage :

     a) les monochromateurs (montage à optique directe)

Dans le montage « direct », le monochromateur est placé entre la source et la cellule de mesure, qui est donc traversée par un rayonnement
monochromatique. Le rayonnement transmis est alors projeté sur le détecteur. Le montage optique est complexe ce qui entraine une lenteur au niveau de l'acquisition à cause du balayage. En revanche ctte méthode permet d'avoir un large domaine spectral et une haute résolution

     b) les polychromateurs ou spectrographes (montage à optique inversée)

Dans le cas des polychromateur, le disperseur se situe derrière l’échantillon: l’échantillon donc reçoit tout le rayonnement UV ce qui peut être néfaste pour certains types d'échantillons. De plus, le domaine spectral est peu étendu. En revanche on a une bonne reproductibilité des mesures et une exellente vitesse d'acquisition.

 

  1. Les cuves

Pour les solutions, on utilise des cellules parallélépipédiques dont le trajet optique est généralement de l’ordre du centimètre. Les matériaux utilisés pour les fenêtres sont soit du quartz(transparent jusqu’à 200 nm) soit la silice fondue (permet de descendre jusqu’à
170 nm). Il existe des cellules à usage unique en matière plastique (transparentes jusqu’à 320 nm) et des cellules en verre (transparentes jusqu’à 340 nm).

  1. Les détecteurs

Deux types principaux de détecteurs sont utilisés :

  •  le détecteur unicanal (convient pour un monochromateur)

La lumière incidente arrive sous forme de photons sur la photocathode. Par effet photoélectrique, il apparaît des électrons
qui, grâce aux électrodes placées dans le tube de l’instrument, se multiplient. La tension de sortie est proportionnelle au flux lumineux.

  •  les détecteurs multicanaux (conviennent pour un polychromateur)

le faisceau lumineux arrive sur un cristal de silicium dont la structure électronique va être modifiée grâce aux photons incidents; des électrons excités vont alors passer de la bande de valence à la bande de conduction.

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