2. Méthodes d'analyses spectrales de l'orge
2.1.1. Principes de spectroscopie infrarouge:
La plage du spectre électromagnétique correspondant à l’infrarouge se situe entre le visible et les micro-ondes, 800 nm et 1 cm.
Trois zones sont distinguées :
La proche infrarouge (PIR) entre 12500-4000 cm-1 où l’on observe les bandes d’absorption correspondant aux harmoniques et aux bandes de combinaisons des vibrations.
Rayons-γ Rayons-x UV Visible IR Micro-ondes
Ondes radio
IR proche IR moyen IR lointain 200 cm-1 400 cm-1
4000 cm-1c 14000 cm-1
81
Le moyen infrarouge (MIR) entre 4000-400 cm-1 où l’on observe les bandes d’absorption correspondant aux vibrations fondamentales.
L’infrarouge lointain entre 400-1 cm-1
Les bandes d’absorption résultant de la vibration des liaisons moléculaires. On observe deux types principaux de vibration. D’une part, on distingue les vibrations où il y a un changement continu de la distance interatomique selon l’axe de la liaison (les élongations). D’autre part, les vibrations impliquant un changement d’angle : (les déformations) Figure 12.
Figure 12 Représentation de vibrations des liaisons moléculaires (molécule triatomique). a. vibrations d’élongation. b. vibrations de déformation
2.1.1.1. Mesure de l’absorption lumineuse
Quand un rayonnement arrive sur un échantillon, il peut être soit absorbé, transmis ou réfléchi. Selon la loi de conservation d’énergie :
F4= FG+ FH+ FA (7)
Où IJl’intensité reçue par l’échantillon, IK l’intensité absorbée, ILl’intensité réfléchie, IM
l’intensité transmise. Élongation asymétrique Élongation symétrique Flexion + + +
-Déformation dans le plan Déformation hors du plan torsion Hochement Balancement Cisaillement a b
82
La spectroscopie analytique consiste à mesurer la quantité d’énergie absorbée à chaque fréquence. Elle permet de déterminer les concentrations en différentes substances d’un mélange.
Dans le MIR les mesures sont effectuées en transmission, réflexion classique pour des échantillons peu absorbants et en réflexion totale atténuée(ATR).
Mesures en transmission et en réflexion
Lors de mesures en transmission la source lumineuse et le détecteur de la lumière transmise se situent de part et d’autre de l’échantillon à analyser Figure 13b.
a) b)
Figure 13 principe de mesure a) en réflexion b) en transmission
La loi de Beer-Lambert permet de relier l’intensité transmise et l’intensité incidente :
logQR
QS = # (8)
Où l est le trajet optique dans l’échantillon, ε l’absorptivité molaire en mol-1
.cm-1, c’est la concentration en mol-1 du constituant considéré de l’échantillon.
L’absorbance : logF4
FA
La transmittance :logFA
F4
La source lumineuse et le détecteur de lumière transmise se situe du même côté de l’échantillon à analyser dans cette mesure Figure 13a. La loi de Beer-Lambert ne s’applique pas rigoureusement dans ce cas. En effet, le trajet optique l dans l’échantillon n’est pas connu avec précision et n’est pas constant.
Echantillon Source lu m iè re in ci d en t I0 détecteur E c h a n ti ll o n Source Lumière incident I0 détecteur lumière non absorbé It Ɩ
83 Réflexion totale atténuée
Cette technique n’est utilisée qu’en moyen infrarouge. En passant d’un milieu d’indice de réfraction élevé a un milieu d’indice inférieur, un rayon lumineux peut subir une réflexion totale à l’interface si l’angle de l’incidence à l’interface est supérieur ou égal à un angle α
critique., tel que :
U =VW
VX (9)
n1, n2 étant respectivement les indices des milieux, et n1 > n2.
Le rayonnement pénètre faiblement dans le milieu d’indice le plus faible et la profondeur de pénétration est donnée par la formule :
"Y= Z V[ X
\]^_`VWabcVW[ dVX WeX W[ (10)
λ la longueur d’onde du rayon incident, n1 l’indice du prisme, n2 l’indice de l’échantillon, l’angle d’indice, n2/n1 pour avoir une réflexion totale.
Le principe de l’ATR repose sur la présence d’une onde évanescente dont l’intensité est maximale à l’interface d’un prisme d’indice de réfraction élevé et d’un échantillon d’indice plus faible.
Quand on place un échantillon sur un prisme, une partie du rayonnement incident est donc absorbée sélectivement Figure 14. La technique de réflexion totale atténuée ne permet que l’étude de la surface de l’échantillon en contact avec le cristal. Il sera donc nécessaire d’avoir une surface de contact maximale entre l’échantillon et le cristal.
Figure 14 Principe de mesure en réflexion totale atténuée
Échantillon
Source Détecteur
84
Afin d'éviter les inconvénients des spectromètres dispersifs (temps d'analyse, manque de sensibilité, fragilité mécanique), nous avons utilisés dans cette étude un interféromètre à transformée de Fourier ou FT-IR.
Cette technique permet de mesurer toutes les fréquences simultanément. Le principe de fonctionnement s'appuie sur les cinq organes suivants (Figure 15) :
1. Une source de lumière.
2. Un procédé permettant de générer les interférences : l’interféromètre. 3. Une cellule échantillon (en mode réflexion ou transmission)
4. Un détecteur.
5. un convertisseur analogique-numérique
Figure 15 Schéma de principe d’un spectromètre FT-IR
L’intégration de l’interférométrie à la spectroscopie IR a été rendue possible par le développement d'outils de traitement du signal tels que la transformée de Fourier rapide. Elle a permis la résolution en temps réel de l’interférogramme, par le progrès des lasers améliorant la précision en fréquence de la mesure et par le couplage spectromètre-microordinateur.
2.2. Spécificités du spectre moyen infrarouge (MIR)
La spectroscopie MIR est une méthode physico-chimique basée sur la mesure la vibration d'une molécule soumise à un rayonnement IR dans la gamme de longueurs d'onde 4000 à 400 cm-1. Toutes les molécules possèdent des fréquences caractéristiques d'absorbance et des vibrations moléculaires primaires dans cette gamme. Un exemple de spectre enregistré en réflexion totale atténuée entre 1500 et 700 cm-1 est présenté dans Figure 16 :
85
Figure 16 Exemple de spectre FT-MIR de l'orge dans la gamme 1500 et 700 cm-1
Le spectre moyen infrarouge peut se décomposer en trois zones :
Entre 4000 et 2000 cm-1, les bandes d’absorption sont peu nombreuses et concernent les vibrations des groupements O-H, N-H, C-H.
Entre 2000 et 1800 cm-1, il n’y a pas pratiquement de bande d’absorption.
Entre 1800 et 400, de nombreuses bandes d’absorption. Elles sont dues aux vibrations fondamentales de liaisons C-X. la zone 1200-800 cm-1, est caractéristique des vibrations des liaisons C-C, C-O et est nommée "région d'empreinte digitale". En-deçà de 800 cm-1, les oscillations observées sont dues essentiellement à des interférences engendrées par la composition du cristal.