Mesure de la région proche infrarouge et considérations connexes Partie 1
Les spectrophotomètres à transformée de Fourier infrarouge (FTIR) sont principalement utilisés pour mesurer l'absorption de la lumière dite infrarouge moyen, la lumière dans la gamme de nombres d'ondes de 4 000 à 400 cm-1 (longueurs d'onde de 2,5 à 25 µm), afin d'identifier et de quantifier divers matériaux. En modifiant le séparateur de faisceau et le détecteur de l'interféromètre du FTIR pour s'adapter à la lumière proche infrarouge, des spectrophotomètres FTIR pouvant être utilisés pour la mesure de la lumière proche infrarouge ont été développés et commercialisés. La mesure de la lumière proche infrarouge est différente à certains égards de celle de la lumière infrarouge moyen, et certaines des caractéristiques et considérations associées à l'absorption de la lumière proche infrarouge doivent être notées. Ici, nous présentons quelques exemples réels de mesure d'échantillons pour illustrer les points qui doivent être pris en compte.
1. Caractéristiques de l'Absorption de la Lumière Proche Infrarouge
La lumière proche infrarouge se réfère généralement à la lumière dans la gamme de nombres d'ondes de 12 500 à 4 000 cm-1 (longueurs d'onde de 800 à 2 500 nm) (voir Fig. 1). L'absorption de la lumière proche infrarouge, comme celle de la lumière infrarouge moyen, est basée sur la vibration du matériau. Cependant, l'absorption de la lumière proche infrarouge est beaucoup plus faible en intensité par rapport à l'absorption de la lumière infrarouge moyen, car l'absorption de la lumière proche infrarouge est basée sur des harmoniques et des tons combinés dans la région de la lumière infrarouge moyen. Par conséquent, la mesure des échantillons montrant une faible absorption est difficile, mais le fait que les échantillons puissent être mesurés sans être dilués est un avantage. De plus, comme les solvants eux-mêmes montrent une faible absorption, les solutions aqueuses sont également relativement faciles à mesurer.
Diverses méthodes de mesure de l'absorption proche infrarouge sont connues, telles que les méthodes de transmittance et de réflectance diffuse, et celles-ci seront introduites à l'aide d'exemples de mesure.
Figure 1 Région de la Lumière Proche Infrarouge
2. Mesure de la Transmittance Proche Infrarouge des Liquides
Les mesures souvent effectuées dans la région proche infrarouge incluent la mesure de la transmittance des solutions. Il existe une variété d'échantillons de mesure qui entrent dans cette catégorie, et les solutions aqueuses en sont un type. Comme il est communément connu, le coefficient d'extinction moléculaire de l'eau dans la région infrarouge moyen est extrêmement grand, et dans la plupart des cas, la saturation se produit dans l'absorption associée aux solvants. Par conséquent, il y a de nombreux cas où l'absorption associée à d'autres substances ne peut pas être confirmée. En revanche, lorsqu'une cellule de 1 mm de longueur de trajet est utilisée pour effectuer une mesure de transmittance proche infrarouge, dans presque toutes les régions, l'absorption des substances présentes dans l'eau peut être confirmée (bien que cela puisse être difficile à faible concentration).
De plus, dans la région proche infrarouge, comme dans la région visible, l'absorption du verre et du quartz est à peine visible. Par conséquent, le verre et le quartz, qui sont chimiquement stables et faciles à manipuler, peuvent être utilisés comme matériaux pour les plaques de fenêtre et les cellules de mesure.
Figure 2 Mesure de la Solution Aqueuse d'Éthanol
À titre d'exemple de mesure de solution aqueuse, la Figure 2 montre le spectre proche infrarouge d'une solution aqueuse d'éthanol. Une cellule avec une longueur de trajet de 1 mm a été utilisée. L'absorption de l'eau ainsi que celle de l'éthanol dissous ont été clairement confirmées. Ainsi, la mesure d'une solution aqueuse, qui est difficile dans la région infrarouge moyen en raison de la saturation de l'absorption, est relativement facile dans la région proche infrarouge.
Figure 3 Changements du Nombre d'Ondes du Pic de l'Eau en Fonction de la Température
Lors de la mesure de ce type de solution aqueuse et d'échantillons à haute teneur en eau, il est nécessaire de prendre en compte le facteur de température. La Figure 3 montre les spectres de l'eau acquis à différentes températures entre 25 et 80 °C.
Il est clairement visible que, à mesure que la température augmente, le pic autour de 7 000 cm-1 se déplace vers le côté des nombres d'ondes plus élevés. Le Tableau 1 montre les valeurs d'absorbance en fonction des changements de température à 6 890 cm-1 (position du pic à 25 °C).
Tableau 1 Température et Absorbance de l'Eau à 6 890 cm-1
| Température (°C) |
Absorbance |
| 25 | 1.418 |
| 40 | 1.403 |
| 60 | 1.390 |
| 80 | 1.372 |
Ainsi, on peut voir qu'à mesure que la température change, l'absorbance change également en fonction du déplacement du nombre d'ondes. Pour cette raison, lors de la mesure proche infrarouge d'échantillons contenant de l'eau, l'absorbance autour de l'absorption de l'eau fluctuera à moins que la mesure ne soit effectuée à une température constante.
La principale cause du déplacement du pic montré ici est dite être les changements induits par la température dans la liaison hydrogène des molécules d'eau.
Juste pour toucher sur le sujet du changement de la liaison hydrogène, dans la région proche infrarouge, puisqu'il y a une grande différence dans les positions des pics du groupe OH lié par liaison hydrogène et du groupe OH non lié par liaison hydrogène, et puisque l'intensité du pic du groupe OH non lié par liaison hydrogène est relativement grande, la mesure est souvent effectuée par rapport à la liaison hydrogène (Shimadzu Application News No. A365).
3. Mesure de la Transmittance Proche Infrarouge des Solides
Jusqu'à présent, nous avons parlé de la mesure de la transmittance proche infrarouge des liquides ; cependant, la méthode de transmittance proche infrarouge est également efficace pour mesurer les solides. La Figure 4 montre un spectre de transmittance proche infrarouge de polystyrène de 1 mm d'épaisseur. Il est clair que dans la mesure proche infrarouge, il n'y a presque pas de saturation dans l'absorption de l'échantillon de 1 mm d'épaisseur. Un spectre de transmittance infrarouge moyen d'un échantillon de polystyrène ayant la même épaisseur de 1 mm est montré dans la Figure 5. Ici, la saturation de l'absorption est évidente. Dans la mesure des solides, comme montré ici, des échantillons d'épaisseur qui seraient accompagnés de saturation de l'absorption dans la mesure de transmittance infrarouge moyen peuvent être mesurés sans saturation de l'absorption dans la région proche infrarouge.
Figure 4 Spectre Proche Infrarouge (polystyrène de 1 mm d'épaisseur)
Figure 5 Spectre Infrarouge Moyen (polystyrène de 1 mm d'épaisseur)
4. Comparaison avec le Spectrophotomètre UV-Vis-NIR
Les spectrophotomètres ultraviolet-visible proche infrarouge (UV-Vis-NIR) sont également capables de mesurer des spectres proche infrarouge. Cependant, la construction des spectrophotomètres UV-Vis-NIR est différente de celle des spectrophotomètres FTIR, et il existe des différences dans les données obtenues par ces deux types d'instruments.
Voici des exemples de mesure de la transmittance de l'o-xylène. Les résultats de mesure utilisant le FTIR sont montrés dans la Figure 6, et les résultats de mesure utilisant le spectrophotomètre UV-Vis-NIR sont montrés dans la Figure 7. L'axe horizontal montre la longueur d'onde pour faciliter la comparaison.
Figure 6 Spectre de Transmittance Proche Infrarouge de l'o-Xylène (FTIR)
Figure 7 Spectre de Transmittance Proche Infrarouge de l'o-Xylène (Spectrophotomètre UV-Vis-NIR)
Comme on peut le confirmer à partir de ces figures, des données de très haute résolution peuvent être obtenues lorsque la mesure est effectuée en utilisant le FTIR équipé d'un interféromètre. Le pic autour de la longueur d'onde de 1,685 µm (5 950 cm-1) est séparé en deux. En revanche, le pic apparaît comme un seul pic dans le cas du spectrophotomètre UV-Vis-NIR, qui utilise des éléments dispersifs. Bien que cela dépende de l'instrument et des accessoires de mesure, dans la mesure de transmittance, une résolution de 8 à 16 cm-1 peut être obtenue en utilisant les paramètres typiques avec le FTIR, tandis qu'elle est d'environ 50 cm-1 (5 nm par longueur d'onde) autour de 10 000 cm-1 avec le spectrophotomètre UV-Vis-NIR. En revanche, le spectrophotomètre UV-Vis-NIR est généralement reconnu pour offrir une meilleure répétabilité des valeurs d'absorbance que le FTIR.
5. Conclusions
Ici, nous avons introduit les caractéristiques et les points à considérer en ce qui concerne la mesure de la transmittance dans la région proche infrarouge. La prochaine fois, nous présenterons des méthodes de mesure autres que la méthode de transmittance.
