SPECTROPHOTOMÉTRIE OPTIQUE

Spectrophotométrie veut dire « mesure des photons en fonction du spectre ». En physique, les notions de photon – ou grain de lumière – et de spectre sont en effet liées à la nature corpusculaire de toute onde électromagnétique et à la décomposition de la lumière blanche par un milieu dispersif.

Cet article concerne les techniques de spectrophotométrie optique, en lumière non polarisée (cf. optique), de longueur d'onde comprise entre 200 nanomètres (nm) et 300 micromètres (μm).

La spectrophotométrie optique a pour objet l'analyse des modifications spectrales (longueur d'onde et intensité) de la lumière incidente, le plus souvent monochromatique, après son interaction avec la matière (atomes, molécules à l'état gazeux, liquide ou solide). En première approximation, l'énergie potentielle totale (E_t) d'un atome ou d'une molécule est égale à la somme de ses énergies électronique (E_e), vibratoire (E_v) et rotationnelle (E_r) et E_t = E_e + E_v + E_r (cf. Spectroscopie moléculaire).

La nature des informations apportées par la spectrophotométrie optique dépendra de l'énergie E₀, donc de la longueur d'onde λ₀, de l'onde incidente. Les informations dépendront aussi du type de rayonnement analysé, à savoir l'intensité de la lumière transmise (I_t) ou celle de la lumière émise (I_e) par l'échantillon : on distinguera ainsi la spectrophotométrie d'absorption de la spectrophotométrie d'émission.

Loi de Beer-Lambert

Dans des conditions idéales (lumière incidente monochromatique, absence de fluorescence, échantillon homogène, concentration du composant pas trop élevée), le rapport I_t/I₀ définit la transmittance (T), ou pourcentage de lumière transmise par l'échantillon, avec I₀ et I_t, les intensités respectives des faisceaux incident et transmis. L'absorption de la lumière est décrite par la loi de Beer-Lambert : I_t/I₀ = 10^εCl, plus généralement exprimée sous la forme du rapport log (I₀/I_t) = A = DO = εCl, communément appelé absorbance (A) ou densité optique DO, avec C, la concentration de l'espèce absorbante, exprimée en moles par litre (M. l^—1), de l'espèce absorbante ; l, le trajet optique, exprimé en centimètres (cm) et ε, le coefficient d'absorption molaire, exprimé en (l. M^—1. cm^—1). Ce dernier est caractéristique de l'espèce absorbante à une longueur d'onde donnée et traduit sa probabilité d'absorption d'un quantum de lumière.

Dans le cas de plusieurs composants, il y a additivité des différentes absorptions et I_t/I₀ = 10^{—(ε1C1 + ε2C2 + ....εnCn)}.

La conséquence immédiate et l'application pratique de la loi de Beer-Lambert sont la caractérisation et/ou la détermination de la teneur d'une solution ou d'un mélange, à la seule condition que ces espèces soient absorbantes.

La loi de Beer-Lambert n'est plus vérifiée en présence de certains complexes en solution, lorsque, par exemple, la constante d'équilibre est affectée par la dilution.

La perception des couleurs par l'œil humain illustre les phénomènes d'absorption et de transmission de la lumière. L'œil humain, dont le domaine de sensibilité est situé entre 400 et 800 nm (domaine visible), détecte la couleur complémentaire de la couleur absorbée : ainsi, une solution jaune a absorbé le bleu, une solution rouge a absorbé le vert.

En spectrophotométrie d'émission, l'équivalent de la loi de Beer-Lambert n'existe pas. Elle n'est pas une méthode de mesure absolue, sauf dans des conditions expérimentales très rigoureuses. Seule une fraction de la lumière, émise dans toutes les directions, est recueillie sur le détecteur. Dans ces conditions, la mesure du rendement quantique absolu, caractéristique de la substance étudiée et égal au rapport du nombre de photons émis au nombre de photons[...]