Structure d'un spectrophotomètre

Comme montré dans la Fig. 1, d'abord l'intensité du faisceau lumineux de mesure, I₀, est mesurée sans l'échantillon. Ensuite, l'échantillon est placé dans le chemin du faisceau lumineux de mesure, et l'intensité du faisceau lumineux après avoir traversé l'échantillon, It, est mesurée.

Comme montré dans la Fig. 2, une cellule contenant du solvant est placée dans le chemin du faisceau lumineux de mesure, et l'intensité du faisceau lumineux après avoir traversé la cellule, I₀, est mesurée. Ensuite, une cellule contenant une solution produite en dissolvant l'échantillon dans le solvant est placée dans le chemin du faisceau lumineux de mesure, et l'intensité du faisceau lumineux après avoir traversé la cellule, It, est mesurée. La transmittance, T, est donnée par l'équation (1), mais pour les échantillons en solution, il est plus courant d'utiliser l'absorbance, Abs, qui est donnée par l'équation (2).

L'équation (3), qui exprime la relation entre l'absorbance, Abs, et la concentration de l'échantillon, C, est appelée la « loi de Lambert-Beer ». Il existe une relation proportionnelle entre l'absorbance et la concentration, et cela constitue la base de l'analyse quantitative.

Vous constaterez dans l'explication ci-dessus que les éléments indispensables d'un spectrophotomètre consistent, comme montré dans la Fig. 3, en une source de lumière, un spectromètre, un compartiment d'échantillon et un détecteur. Bien que j'aie dit dans la section précédente que l'échantillon est exposé à de la lumière monochromatique, il existe des instruments dans lesquels la lumière blanche est passée à travers l'échantillon avant d'entrer dans le spectromètre. Cette méthode est employée dans des instruments de photométrie à haute vitesse qui utilisent des détecteurs en matrice. Dans les sections suivantes, j'expliquerai chaque élément.

Fig. 4 Distribution de l'Intensité d'Émission de la Lampe Halogène (3 000 K)

Le principe d'émission de lumière est le même que celui d'une ampoule à incandescence standard. Un courant électrique est fourni à un filament, le filament devient chaud et de la lumière est émise. L'ampoule d'une lampe halogène est remplie de gaz inerte et d'une petite quantité de halogène. Alors que le tungstène utilisé comme filament s'évapore en raison de la haute température, l'halogène provoque le retour du tungstène au filament. Cela aide à créer une source lumineuse brillante avec une longue durée de vie. La distribution de l'intensité d'émission d'une lampe halogène peut être approximée en utilisant la loi de radiation de Planck. La Fig. 4 montre la distribution de l'intensité d'émission pour une température de 3 000 K. Une lampe halogène offre une stabilité temporelle supérieure, une durée de vie d'environ 2 000 heures et un coût relativement bas. Elle présente des niveaux relativement élevés de chacune des propriétés a) à d) mentionnées ci-dessus.

Fig. 5 Distribution de l'Intensité d'Émission de la Lampe de Deutérium

Une lampe de deutérium est une source de lumière à décharge dans laquelle l'ampoule est remplie de deutérium (D₂) à une pression de plusieurs centaines de pascals. La Fig. 5 montre la distribution de l'intensité d'émission pour une lampe de deutérium. Bien que 400 nm soit, en général, une limite d'utilisation approximative à l'extrémité des longues longueurs d'onde, parce que le degré d'atténuation à cette extrémité est assez faible, la lumière de longueurs d'onde supérieures à 400 nm est utilisée. Dans la région au-delà de 400 nm, il y a également un grand nombre de spectres de lignes brillantes. Parmi ceux-ci, les spectres de lignes brillantes à 486,0 nm et 656,1 nm sont particulièrement intenses et peuvent être utilisés pour l'étalonnage en longueur d'onde des spectrophotomètres. La limite d'utilisation à l'extrémité des courtes longueurs d'onde est déterminée par la transmittance du matériau de la fenêtre. Dans la Fig. 5, les graphiques pour les cas où la silice synthétique et le verre UV sont utilisés comme matériau de fenêtre sont donnés à titre d'exemple.

Fig. 6 Section Transversale du Réseau de Diffraction

La spectroscopie est la technique qui consiste à diviser la lumière composée de différentes longueurs d'onde en composants correspondant à ces longueurs d'onde. L'élément qui divise cette lumière est appelé élément dispersif. Les prismes et les réseaux de diffraction sont des éléments dispersifs typiques. Les prismes étaient couramment utilisés comme éléments dispersifs dans les spectromètres, mais récemment, les réseaux de diffraction sont devenus le type d'élément dispersif le plus couramment utilisé. Les réseaux de diffraction utilisés dans les spectrophotomètres ont de plusieurs centaines à environ 2 000 rainures parallèles par millimètre découpées à intervalles égaux. Un exemple de section transversale est montré dans la Fig. 6.

Fig. 10 Caractéristiques de Sensibilité Spectrale d'un Photomultiplicateur

Un photomultiplicateur est un détecteur qui utilise le fait que des photoélectrons sont déchargés d'une surface photoélectrique lorsqu'elle est soumise à de la lumière (c'est-à-dire, l'effet photoélectrique externe). Les photoélectrons émis par la surface photoélectrique provoquent de manière répétée l'émission d'électrons secondaires dans des dynodes disposées séquentiellement, produisant finalement une grande sortie pour une intensité lumineuse relativement faible. La caractéristique la plus importante d'un photomultiplicateur est qu'il atteint un niveau de sensibilité significativement élevé qui ne peut être obtenu avec d'autres capteurs optiques. S'il y a une intensité lumineuse suffisante, cette caractéristique n'est pas particulièrement pertinente, mais à mesure que l'intensité lumineuse diminue, cette caractéristique devient de plus en plus utile. Pour cette raison, les photomultiplicateurs sont utilisés dans des instruments de haute qualité. Les caractéristiques de sensibilité spectrale d'un photomultiplicateur sont principalement déterminées par le matériau de la surface photoélectrique. La Fig. 10 montre un exemple des caractéristiques de sensibilité spectrale d'une surface photoélectrique multi-alkali, un type de surface souvent utilisé dans les spectrophotomètres.

Fig. 11 Caractéristiques de Sensibilité Spectrale d'une Photodiode en Silicium

Une photodiode en silicium est un détecteur qui utilise le fait que les propriétés électriques d'un détecteur changent lorsqu'il est exposé à de la lumière (c'est-à-dire, l'effet photoélectrique interne). Les cellules solaires, qui ont récemment attiré beaucoup d'attention, utilisent la même structure et le même principe que les photodiodes en silicium.
Comparativement aux photomultiplicateurs, les photodiodes en silicium offrent des avantages tels qu'un coût faible, peu de localité de sensibilité sur la surface de réception de lumière, et le fait qu'aucune alimentation spéciale n'est requise. Même en ce qui concerne la sensibilité, si l'intensité lumineuse est relativement élevée, elles peuvent obtenir des données photométriques qui ne sont pas inférieures à celles obtenues avec des photomultiplicateurs. La Fig. 11 montre un exemple des caractéristiques de sensibilité spectrale d'une photodiode en silicium.