Les méthodes spectroscopiques :

Les méthodes spectroscopiques (optique, UV, Raman, proche infrarouge ...) sont des techniques d’analyse qui permettent de connaître quantitativement et qualitativement la composition chimique d’un mélange. Elles permettent des analyses simultanées de divers composants avec une grande rapidité. L’inconvénient principal de ces techniques réside dans la quantité d’information contenue dans un seul spectre (informations chimiques et physiques). Il est souvent difficile d’interpréter ces spectres à cause du manque de corré- lation structurale entre l’information pertinente et les données physico-chimiques.

• Spectroscopie optique et UV :

Ces méthodes reposent sur l’utilisation simultanée de deux fibres optiques. La première fibre transmet la lumière alors que la seconde recueille la lumière réfléchie et la transforme en un signal de tension. La grandeur physique mesurée est l’intensité de lumière réfléchie liée à la composition du mélange.

Cette technique optique a été appliquée pour la première fois sur des poudres par Gray (1957). Celui-ci a utilisé une sonde équipée d’une source de lumière blanche et d’une cel- lule photo-électrique placée derrière une petite fenêtre en verre. La mesure de l’intensité de la lumière réfléchie par une couche de particules permet de déterminer la composition de l’échantillon analysé à partir d’une courbe d’étalonnage déterminée préalablement. Asthon et al. (1966) ont également développé un dispositif similaire présenté à la figure 1.22 pour l’étude d’un mélange de particules de tailles identiques (150 µm) et de couleurs différentes (rouge et blanc). Enfin nous pouvons également citer les travaux de Harwood et al. (1972) où cette même méthode a été utilisée pour analyser des mélanges de poudre de mêmes couleurs en utilisant l’ultraviolet au lieu de la lumière visible comme source de radiation (voir figure 1.23).

• Spectroscopie proche infra-rouge (PIR)

Les radiations proche-infra-rouge ont des longueurs d’onde qui se situent dans la région du spectre électromagnétique comprise entre 0,7 à 2,5 µm soit pour des nombres d’onde compris entre 14290 à 4000 cm−1. Cette région correspond aux harmoniques de vibrations

Figure 1.22 – Sonde optique développée par Asthon et al. (1966).

Figure 1.23 – Fibre optique utilisée par Harwood et al. (1972) pour étudier le mélange des poudres.

d’un grand nombre de liaisons chimiques ( C-H ; O-H et N-H). L’amplitude des pics d’absorption est souvent moins importante que dans le domaine IR moyen mais leur nombre est restreint, éliminant ainsi une partie importante du bruit que l’on retrouve sur ce type de mesure. Ces 20 dernières années, les améliorations des appareils de mesure optronique et du traitement des données ont ouvert la porte à l’utilisation des techniques PIR pour l’étude de l’homogénéité d’un mélange de poudres. La technique la plus utilisée est la réflexion diffuse PIR. Le spectre qui en découle est non seulement le résultat de l’absorption des harmoniques de vibration, mais aussi de la réfraction et de la dispersion du rayon incident (Berntsson et al., 2000). La part de la dispersion dans le signal final est beaucoup plus importante que la part de l’absorption. Afin de pouvoir utiliser le spectre pour le suivi de l’homogénéité, il faut supprimer cette composante grâce à une étape de calibration préalable. Tout changement dans la composition du mélange implique alors une nouvelle calibration (Berntsson et al., 2002).

Un traitement mathématique des données permet alors de prédire la concentration en fonction du spectre obtenu (Berntsson et al., 1997). Wu et al. (2009) ont notamment dé- veloppé un modèle pour analyser la composition de différents mélanges pharmaceutiques multicomposants avec des erreurs associés de 9.5%, sur 9 formulations différentes testées. Les mesures peuvent être réalisées hors ligne suite au prélèvement d’échantillons, en ligne ou in-situ. Les travaux de Berntsson et al. (2002) illustrent cette dernière possibilité sur un mélangeur Nauta® _{(voir figure 1.24) en couplant un spectromètre proche infra-}

rouge avec une sonde à fibre optique. Le rôle de cette fibre optique est de laisser passer le rayonnement proche infrarouge envoyé par le spectromètre. Dans ce type de configuration, seule la poudre proche de la sonde est donc analysée. De plus, un point supplémentaire est à prendre en compte : l’échantillon est en mouvement. Le signal obtenu dans ce cas-là est donc fonction de la vitesse de balayage de l’appareil, du mouvement et de l’hétérogénéité de l’échantillon compliquant de manière significative la mesure (Berntsson et al., 2000).

Les méthodes d’analyses par spectroscopie proche infra-rouge font depuis quelques années, l’objet de nombreuses recherches car elles semblent à première vue adaptable à de nombreux systèmes particulaires. Cependant, les étapes de calibration et de traitement du signal sont assez fastidieuses. De plus, pour une utilisation en ligne, seul un point du mélange est analysé au cours du temps, la taille des échantillons est donc très faible ce

Figure 1.24 – Exemple de dispositif expérimental de mesure de l’homogénéité par mé- thode de réflectance diffuse NIR au sein d’un mélangeur Berntsson et al. (2002).

qui peut conduire à une sous estimation de l’état de mélange. • Spectroscopie Raman

En spectrométrie Raman, l’analyse repose sur la réponse d’un matériau à une excita- tion. Porté à un niveau énergétique virtuel par une puissante source lumineuse monochro- matique de type LASER, il réémet ensuite une radiation qui est collectée puis analysée par un détecteur adéquat. Ce type de mesure peut être adapté en ligne avec un dispositif comme présenté sur la figure 1.25 : les radiations d’une puissante source LASER sont conduites dans une fibre optique jusqu’à l’échantillon à analyser et provoquent son ex- citation. La lumière produite est recueillie par un capteur, puis acheminée par une fibre optique jusqu’au séparateur. Couplé à un détecteur, celui-ci fournit alors des données sur l’échantillon qui n’ont plus qu’à être traitées informatiquement.

Kachrimanis et al. (2007) ont utilisé la spectroscopie FT-Raman associée à une regres- sion PLS (Partial Least Squares regression) pour analyser quantitativement un mélange de poudres composé de deux formes différentes de paracétamol. Les données expérimen- tales obtenues ont été exploitées par différents algorithmes statistiques à savoir la méthode OSC "orthogonal signal correction", la méthode SNV "standard normal variate transfor- mation", et la méthode MSC "multiplicative scatter correction" dans le but de prédire la composition du mélange. La comparaison entre les concentrations de référence et les concentrations obtenues par les trois méthodes statistiques OSC, SNV et MSC est pré- sentée dans la figure 1.26. Le choix de la technique de prétraitement des spectres Raman joue un rôle primordial dans la détermination de la qualité des résultats obtenus par ré-

Figure 1.25 – Schéma de principe de l’analyse des poudres en ligne par la spectroscopie Raman d’après Ammarcha (2010).

gressions PLS. Dans le cas de cet exemple, la méthode OSC donne les meilleurs résultats sur toute la gamme des concentrations utilisées.

Figure 1.26 – Prédiction de la concentration du paracétamol par spectroscopie Raman dans un mélange en utilisant différents algorithmes statistiques d’après Kachrimanis et al. (2007).