Comment la spectroscopie Raman peut-elle vous aider ?

La spectroscopie Raman est une technique de mesure optique qui analyse la lumière diffusée inélastique d'un matériau échantillon. Une lumière laser forte est envoyée vers l'échantillon où elle interagit avec le matériau. La plupart de la lumière sera simplement diffusée de manière élastique, ce qui signifie que la lumière change de direction mais pas de longueur d'onde. D'autre part, une infime fraction de la lumière non seulement change de direction mais aussi de couleur. Dans ce cas, l'énergie de la particule lumineuse est transférée aux molécules du matériau et l'énergie restante est émise sous forme de ce qu'on appelle la diffusion de la lumière inélastique. Ce processus d'interaction est connu sous le nom de effet Raman. Un spectre Raman est aussi spécifique pour un échantillon qu'une empreinte digitale et il reflète les liaisons chimiques présentes dans le matériau. Ainsi, dans les applications de spectroscopie Raman, la composition chimique peut être analysée et les changements au sein d'un échantillon peuvent être détectés. (Pour des informations sur la vibration moléculaire, voir l'article wiki  “Notions de base de la spectroscopie Raman”)

L'effet Raman est très faible par rapport à d'autres processus d'interaction optique tels que l'absorption, la fluorescence ou la diffusion élastique de la lumière. Par conséquent, les spectromètres Raman utilisent une haute intensité lumineuse pour générer un signal Raman à partir d'un échantillon. En général, un spectromètre Raman se compose d'une source de lumière, d'un échantillon, d'un élément dispersif et d'un détecteur.

Dans un certain nombre d'applications, la spectroscopie Raman présente des avantages techniques par rapport à d'autres méthodes. Il est particulièrement adapté à une identification rapide sans contact direct avec l'échantillon :

• La spectroscopie Raman est une technique (généralement) non destructive et non invasive. L'échantillon mesuré peut être réutilisé à d'autres fins par la suite.
• L'échantillon peut être mesuré à travers l'emballage (tel que le verre ou le plastique fin), ce qui en fait une technique très sûre lors de la manipulation de produits chimiques et de matériaux dangereux.
• Il n'y a pas ou très peu de préparation d'échantillon : vous pouvez facilement mesurer un solide directement ou mesurer des poudres et des solutions en les remplissant dans un petit flacon en verre (Figure 3).
• L'analyse est rapide : elle ne prend généralement que quelques secondes pour obtenir le résultat.
• La technique est adaptée aux solutions aqueuses : la spectroscopie Raman ne souffre pas de la forte absorbance de l'eau, ce qui est un problème courant pour la spectroscopie IR.

Une tâche fréquente dans l'industrie chimique, cosmétique et pharmaceutique est de vérifier si une livraison contient réellement ce qui est écrit sur l'étiquette. Souvent, de telles inspections des marchandises entrantes sont combinées avec un contrôle de qualité afin que les matières premières de mauvaise qualité soient détectées et empêchées d'être utilisées dans les étapes de transformation ultérieures. De tels tests peuvent facilement être effectués à l'aide d'un spectromètre Raman comme système d'inspection. Les vibrations moléculaires présentes dans l'échantillon sont aussi spécifiques qu'une empreinte digitale. L'inspection des produits n'est pas seulement rapide mais aussi sûre grâce à la possibilité de mesurer à travers l'emballage. Pour cette inspection et ce contrôle de qualité, une comparaison de base de données spectrale à un spectre présélectionné dans la bibliothèque est utilisée. Le résultat de la comparaison est affiché à l'utilisateur comme "réussi" ou "échoué". Cela rend très facile d'interpréter le résultat sans en savoir trop sur la technique. De cette manière, le personnel de l'entrepôt peut immédiatement rejeter les livraisons incorrectes sans avoir besoin d'analyses de laboratoire chronophages. Les résultats d'une inspection de produit dans la Figure 4 montrent la vérification des pilules qui sont censées être composées d'acétaminophène (paracétamol). La figure 5 montre les spectres de l'acétaminophène comparés à une substance qui n'a pas réussi la vérification. Il est clairement visible à quel point les résultats de mesure sont différents.

Les agents des douanes, de la police ou du contrôle des frontières rencontrent souvent des substances inconnues et doivent évaluer si celles-ci sont dangereuses, réglementées ou inoffensives. Particulièrement dans l'identification des matériaux dangereux, la gestion des déchets dangereux et l'élimination des déchets dangereux, la spécificité de la spectroscopie Raman et la rapidité de la mesure sont bénéfiques. Comme vous pouvez le mesurer à travers l'emballage, les enquêteurs et les premiers intervenants seront dans une situation de travail sûre. La figure 6 montre la mesure d'une poudre blanche inconnue qui pourrait être une substance dangereuse. La figure 7 montre les résultats des mesures sur deux substances : l'une est un narcotique hautement réglementé (3,4-Méthyl​ènedioxy​méthamphétamine ou MDMA) et l'autre est la caféine (figure 7). À l'œil humain, les deux sont des poudres blanches et à peine distinguables. Cependant, pour un spectromètre Raman, ils sont complètement différents, chacun ayant une empreinte chimique unique.

La surveillance de la conversion chimique d'une substance en une autre est d'une importance clé dans la production chimique et pharmaceutique. Par exemple, déterminer le point final d'une réaction en ligne fait gagner du temps et de l'argent. Les mesures de spectroscopie Raman sont spécifiques aux groupes moléculaires présents dans une molécule. Par exemple, vous pouvez surveiller la réaction d'un durcissement époxy in-situ. Cette surveillance  in-situ des réactions est possible car la lumière diffusée est collectée avec une tête de sonde en fibre qui est thermiquement et chimiquement résistante. Il est placé dans la chambre de réaction et un spectre Raman est obtenu à des intervalles spécifiés par l'utilisateur. Puisque la technique est non destructive, la surveillance de plusieurs réactions n'altère pas le résultat de la réaction chimique ou du processus. La figure 8 montre les spectres obtenus à partir des différentes mesures. Affichés du rouge foncé au rouge clair, vous pouvez voir les spectres obtenus à des intervalles de 200 s ainsi que de 200 s à 1400 s après le début de la réaction. Certains des signaux sont marqués par leur vibration moléculaire correspondante. Un signal particulièrement intéressant est le mode de respiration de l'anneau époxy à 1260 cm^–1. Ce signal diminue en raison de la réaction de la résine. L'anneau en époxy s'ouvre, de sorte que dans le produit final, ce groupe spécifique est manquant, et aucun mode d'anneau en époxy n'est présent dans le spectre. En évaluant ce signal spécifique, les mesures Raman aident à déterminer quand la réaction est terminée.