2.3 Fluorescence induite par plan laser (PLIF)
2.3.1 Principe de la fluorescence
Le phénomène de fluorescence repose sur trois processus fondamentaux (Figue 2.16) [67] : l’excitation de la molécule par l’absorption d’un photon permettant sa transition énergétique de son état fonda-mental vers un état excité, la relaxation vibrationnelle d’un électron d’un état excité vers un niveau de plus faible énergie (non-radiatif) et l’émission lumineuse spontanée ramenant la molécule à son état fondamental (radiatif). Ces trois phases se produisent sur des échelles de temps très disparates, l’excitation de la molécule (quasi-instantanée) étant la plus courte (10−15 s) et l’émission lumineuse la plus longue (10−9 s). L’ordre de grandeur du temps de la relaxation vibrationnelle est, quant à lui, de quelques picosecondes. La fluorescence est donc liée aux transitions électroniques que subissent les électrons d’une molécule, excitée par une source radiative lumineuse, en évoluant d’une orbite atomique à une autre.
2.3.1.1. État électronique singulet et triplet
En fonction de l’énergie totale de l’électron et de la symétrie des différents états de spin, une molécule peut apparaître sous différents états électroniques : l’état fondamental S0 et les états excités premier S1 et second S2. Chaque état Si (où i =0, 1, 2) est associé à un niveau d’énergie ESi tel que ES0 <
ES1 < ES2. Les électrons, dans un état électronique, sont caractérisés par leur nombre quantique de spin (moment angulaire) et ont pour valeur ms = ±1/2. Pour un état électronique donné, le nombre quantique de spin total s est donné par la somme des nombres quantique de spin individuels ms. La multiplicité m (c.-à-d., nombre d’états quantiques possible à l’état fondamental) est alors défini par la relation 2s+1. Une représentation vectorielle de la valeur des spins permet d’explicité la dépendance de la multiplicité à la nature singulet ou triplet d’un état. Un vecteur orienté vers le haut (↑) équivaut à un nombre individuel quantique de spin de +1/2, et inversement. Ainsi, à l’état fondamental et dans le cas d’une molécule possédant deux électrons appariés (↑↓) sur l’orbite moléculaire occupée de
plus haute énergie, un seul état quantique est possible, car les deux spins sont de signes opposés. Le nombre quantique de spin total est donc nul et la multiplicité vaut 1. Il s’agit de l’état singulet. Dans l’état excité, les électrons sont désormais célibataires (↑,↓). Ils peuvent alors conserver une orientation opposée ou bien adopter une configuration dite parallèle, c’est-à-dire de même direction. Dans ce dernier cas, s=1 et m=3. On parle alors d’état triplet.
Figure 2.16: Diagrame de Jalonski. S0, état électronique fondamental singulet; S1, état électronique ex-cité singulet premier; S2, état électronique excité singulet second; T1, état électronique excité triplet; CI, conversion interne; CIS, Croisement intersystème, RV, relaxation vribrationnelle; λ, longueur d’onde.
2.3.1.2. Absorption
L’absorption est le mécanisme prérequis de la fluorescence. Lorsqu’une molécule absorbe de l’énergie issue de la source radiative, sa propre énergie augmente. Cette augmentation, se traduisant entre autres par une excitation électronique et vibrationnelle, est égale à l’énergie du photon absorbé dont l’expression est donnée par E=hν=hc/λ, où h est la constante de Planck, ν et λ sont respectivement la fréquence et la longueur de la source radiative, et c la célérité de la lumière. L’excitation électronique d’une molécule se produit pour une augmentation d’énergie ∆E égale à la différence de l’énergie d’un des états excités (ES1 ou ES2) avec celle de l’état fondamental ES0, ∆E = ES1,2 −ES0. Lorsque cette condition est acquise, un électron peut transiter de l’état fondamental vers un état électronique (vibrationnel) excité. L’absorption est proportionnelle à la concentration en molécule fluorescente le long du chemin optique de la source radiative incidente et est donnée par la loi de Beer-Lambert (voir section 2.3.2.1).
2.3.1.3. Relaxations non-radiatives
Il existe trois types de relaxation non radiative : la relaxation vibrationnelle (RV), la conversion interne (CI) et le croisement intersystème (CIS). La relaxation vibrationnelle correspond à la transition d’une molécule d’un niveau vibrationnel d’un état électronique excité vers un niveau vibrationnel d’énergie plus faible appartenant au même état électronique. Cette transition s’effectue par transfert d’énergie entre la molécule et son environnement. La conversion interne (CI) est un processus de relaxation durant lequel une molécule du niveau fondamental vibrationnel (niveau 0) d’un état électronique excité transite vers un niveau d’énergie vibrationnel plus élevé, mais appartenant à un état excité d’énergie plus faible et de même multiplicité. Jusqu’à l’état S1, la conversion interne est trop rapide pour que d’autres processus de désexcitation entrent en compétition. Ce qui n’est plus le cas une fois l’état électronique excité de plus basse énergie atteint. En effet, le saut énergétique entre S1 et S0est tel que d’autres processus de désexcitation se manifestent, comme l’émission d’un photon (fluorescence) ou les croisements intersystèmes. Ces derniers sont, sur le principe, semblables aux conversions internes à la différence que la transition de la molécule se fait pour une multiplicité différente. Une transition entre l’état singulet et l’état triplet est donc attendue.
2.3.1.4. Relaxations radiatives : fluorescence et phosphorescence
La relaxation radiative d’une molécule dans un état électronique excité, à l’inverse des processus précédemment discutés, implique l’émission d’un photon. Deux types de signaux lumineux peuvent alors se manifester, la fluorescence et la phosphorescence. C’est la multiplicité de spin qui différencie le premier phénomène du second. La phosphorescence se produit lorsqu’une molécule se relaxe d’un état électronique excité singulet vers un état excité triplet via des croisements intersystèmes singulet-triplet. La molécule dans l’état triplet descend au niveau vibrationnel de plus faible énergie grâce à la relaxation vibrationnelle, avant de transiter vers l’état fondamental singulet par émission de photon (phosphorescence) ou par des croisements intersystèmes triplet-singulet. La multiplicité n’est donc pas conservée lors de la phosphorescence. La fluorescence, quant à elle, se produit lorsqu’une molécule
d’un état électronique excité singulet se relaxe vers l’état fondamental singulet, sans changement de multiplicité, et en émettant un photon. Concrètement, la phosphorescence se différencie de la fluores-cence par une émission de lumière relativement longue (jusque plusieurs heures), alors que l’émission spontanée de la fluorescence ne dure que quelques nanosecondes.