La réflexion totale atténuée ou ATR est, avec la transmission, l'une des techniques d'échantillonnage les plus courantes en spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). ATR est basé sur la réflexion totale interne où la lumière infrarouge (IR) et l'échantillon n'interagissent qu'au point où la lumière IR est réfléchie. En revanche, la transmission est basée sur la lumière IR passant à travers l'échantillon. La spectroscopie FTIR est un outil puissant pour qualifier et quantifier les substances organiques à l'état solide, liquide ou gazeux. Cependant, de nombreuses techniques d'échantillonnage nécessitent un prétraitement des échantillons afin d'obtenir des spectres de haute qualité. La spectroscopie ATR FTIR permet de mesurer des échantillons solides ou liquides, avec seulement, une préparation minimale de l'échantillon.
Réflexion totale atténuée (ATR)
Les principes de la réflexion totale atténuée
Dans la spectroscopie ATR FTIR, l'échantillon est en contact avec le cristal ATR. Le rayonnement infrarouge (IR) traverse le cristal et interagit avec l’échantillon à la surface en contact avec le cristal ATR. En raison des différences entre les indices de réfraction des deux matériaux, la réflexion totale interne se produit. Cette réflexion forme ce que l'on appelle une « onde évanescente » qui s'étend à l'intérieur de l'échantillon. En fonction de la composition de l'échantillon, une petite partie de la lumière infrarouge est absorbée lorsque l'onde évanescente interagit avec l'échantillon, ce qui entraîne une réflexion totale légèrement atténuée.
Réflexion interne totale
Lorsqu'une onde propagée (par exemple, un faisceau de lumière infrarouge) frappe la surface entre deux milieux optiques caractérisés par deux indices de réfraction différents à un certain angle d'incidence, la lumière est totalement réfléchie. Cet angle est appelé l' angle critique et peut être calculé en utilisant la loi de Snell-Descartes. La loi de Snell-Descartes stipule que le rapport des indices de réfraction de deux milieux est égal au rapport des sinus des angles d’incidence et de réfraction. Dans un cas particulier où il y a l'absence de réfraction, l'angle d'incidence devient ce qu'on appelle l'angle critique.
Figure 1 Les rayons lumineux entrants sont soit totalement réfléchis (α>α_critique) soit partiellement réfractés et partiellement réfléchis (α<α_critique), en fonction de leur angle.
De nombreux échantillons organiques présentent des indices de réfraction dans le moyen infrarouge (IR) d’environ 1,5 ; par conséquent, l’angle critique pour les matériaux des cristaux ATR peut être calculé en considérant un indice de réfraction de 1,5. Table 1 Matériaux courants pour les cristaux ATR ; angle critique calculé pour n2=1,5 ; tableau provenant de Griffiths P.R., de Haseth J. A. (2007). Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier. New York, États-Unis : John Wiley &Sons.
| Matériau de la cellule | Indice de réfraction | Angle critique (degrés) |
|---|---|---|
| Chlorure d'argent AgCl | 1,90 | 49° |
| KRS-5 | 2,37 | 40° |
| Séléniure de zinc (ZnSe) | 2,40 | 40° |
| Sulfure de zinc (ZnS) | 2,2 | 43° |
| Germanium (Ge) | 4,00 | 22° |
| Silicium (Si) | 3,41 | 26° |
| Diamant | 2,41 | 40° |
Pour obtenir une réflexion interne totale, les matériaux de cristal ATR doivent avoir un indice de réfraction plus élevé que le matériau de l'échantillon testé. En raison de leurs indices de réfraction élevés, les cristaux ATR sont dits optiquement denses, tandis que les échantillons typiques qui ont de faibles indices de réfraction et sont donc optiquement rares. L'angle d'incidence du faisceau de lumière infrarouge doit correspondre à l'angle critique calculé pour chaque matériau de cellule afin de créer une réflexion interne totale.
Onde évanescente
La réflexion interne totale n'explique pas l'interaction du faisceau infrarouge et de l'échantillon car le faisceau infrarouge ne quitte jamais le cristal ATR. À la place, l'interaction du faisceau infrarouge et de l'échantillon se produit à travers un champ évanescent, souvent appelé « onde évanescente ». Lors de la réflexion totale de la lumière incidente à l'interface où le cristal touche l'échantillon, une petite fraction de la lumière s'étend dans l'échantillon sous forme d'une onde évanescente. Lorsqu'une onde ne peut pas se propager régulièrement dans l'échantillon, elle se concentre à proximité du point de réflexion totale et commence à décroître de manière exponentielle. L'onde évanescente dépasse dans l'échantillon. Dans les zones où l'échantillon est en contact avec l'onde évanescente, des parties spécifiques du faisceau IR sont absorbées en fonction de la composition de l'échantillon. La lumière IR totalement réfléchie manque des parties absorbées et est donc atténuée, d'où le nom « réflexion totale atténuée » (ATR).
Figure 2 Onde évanescente résultant de la réflexion interne totale
Profondeur de pénétration
La profondeur de pénétration est une mesure de la distance à laquelle l'onde évanescente s'étend dans l'échantillon. Sa valeur exacte est déterminée par la longueur d'onde de la lumière, l'angle d'incidence à l'interface entre le cristal et l'échantillon, et les indices de réfraction pour le cristal ATR et le milieu de l'échantillon. La profondeur de pénétration est définie comme la distance jusqu'au point où l'amplitude de l'onde évanescente a diminué à 1/e (c'est-à-dire environ 37 %) de sa valeur maximale et peut être calculée avec l'équation suivante :
Calcul de la profondeur de pénétration : $$d_p = \frac{\lambda}{2\pi n_1 \sqrt{\sin^2\theta - \left( \frac{n_2}{n_1} \right)^2}}$$
λ … longueur d'onde de la lumière incidente dans le vide
n1 … indice de réfraction du cristal ATR (milieu dense)
n2 … indice de réfraction de l'échantillon (milieu rare)
ϴ … angle d'incidence Selon l'équation ci-dessus, la profondeur de pénétration pour une cellule ATR en séléniure de zinc, un échantillon avec un indice de réfraction de 1,5 et une longueur d'onde de 10 µm est d'environ 2,0 µm. La plupart des échantillons organiques ont un indice de réfraction de 1,5 ; par conséquent, cette valeur est largement utilisée pour le calcul. La profondeur de pénétration est soumise à des changements en fonction des longueurs d'onde d'incidence variables. Puisque le faisceau IR utilisé dans la spectroscopie FTIR contient une large gamme de longueurs d'onde, la profondeur de pénétration est différente pour chaque longueur d'onde. Dans les cellules de transmission régulières, le faisceau IR passe à travers l'échantillon ; l'espace où le faisceau IR et l'échantillon interagissent dépend uniquement de la longueur de cette cellule de transmission. La longueur du chemin est la même pour chaque longueur d'onde. Par conséquent, les spectres d'absorbance mesurés avec des cellules de transmission sont différents des spectres mesurés avec des cellules ATR. Dans une première approximation, cela peut être expliqué par une multiplication des spectres ATR par des nombres d'onde. Ceci est souvent appelé une simple correction ATR.
Réflexion totale atténuée dans les spectromètres FTIR
De nombreux accessoires ATR différents sont disponibles pour les spectromètres FTIR. Ils peuvent être divisés en cellules ATR avec une seule réflexion (un rebond) et des cellules avec des réflexions multiples (plusieurs réflexions). Selon l'application et les échantillons mesurés, différents matériaux sont utilisés comme cristal ATR. Les matériaux typiques incluent le séléniure de zinc (ZnSe), le germanium (Ge) et le diamant.
Cellule ATR à réflexion unique
Dans cette configuration, le faisceau IR et l'échantillon n'interagissent qu'une seule fois à un point de réflexion unique. Les spectromètres FTIR modernes, dotés d’un rapport signal/bruit suffisamment élevé (qui est une mesure de la qualité du signal), permettent d’obtenir des spectres exploitables même avec un seul réflexion. L'avantage clair des cellules ATR à réflexion unique est la quantité minimale d'échantillon nécessaire pour une mesure. Les cellules de réflexion totale atténuée à réflexion simple sont couramment utilisées pour des échantillons solides ou des poudres, ou chaque fois que seules de petites volumes d'échantillons de liquides sont disponibles. Les accessoires ATR à réflexion simple courants se composent d'un cristal ATR avec une surface d'interface d'environ 2 mm2 et d'un serre-joint qui est utilisé pour presser uniformément des échantillons solides ou en poudre sur la surface du cristal ATR.
Figure 3 Configuration schématique d'une cellule ATR à réflexion unique
Cellule ATR à réflexions multiples
Figure 4 Configuration schématique d'une cellule ATR à 12 réflexions
Dans les cellules ATR à réflexions multiple, le faisceau IR est réfléchi plusieurs fois. Chaque réflexion sur la surface du cristal ATR présente une onde évanescente qui interagit avec l'échantillon. Puisque les interactions sont indépendantes les unes des autres, les absorptions sont additives et la sensibilité du spectre enregistré peut être augmentée en raison de rapports signal/bruit significativement plus élevés. La cellule de réflexion totale atténuée dans le Lyza 5000 Vin est une cellule ATR à 12 réflexions en germanium. Les profondeurs de pénétration effectives de ces 12 réflexions correspondent à une longueur de chemin (d'interaction) totale d'environ 33 μm pour des échantillons organiques avec un indice de réfraction de 1,5. Le graphique ci-dessous montre le changement d'intensité d'un spectre de vin avec l'augmentation du nombre de réflexions.
Figure 5 Spectre d'extinction du vin enregistré avec différents nombres de réflexions, présentés en superposition.
Conclusion
La réflexion totale atténuée est une technique d'échantillonnage FTIR très polyvalente et facile à utiliser car aucune, ou très peu, de préparation d'échantillon n'est requise. L'interaction de la lumière IR et de l'échantillon est limitée à de petits volumes d'échantillon en contact direct avec le cristal ATR ; par conséquent, seuls de petits volumes d'échantillon sont nécessaires et les techniques ATR sont très courantes. Pour les applications de boissons, la cellule ATR à réflexions multiples est le choix idéal car les intensités de signal peuvent être augmentées, ce qui conduit à des spectres de haute qualité en peu de temps de mesure.
Références
1. Griffiths P.R., de Haseth J. A. (2007). Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier. New York, Etats-Unis : John Wiley &Sons.
2. Smith B. C. (2011) Fondamentaux de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier. États-Unis : CRC Press Taylor & Francis Group.
