Spectrométrie d'absorption

La spectrométrie d'absorption est une méthode de spectroscopie électromagnétique utilisée pour déterminer la concentration et la structure d'une substance en mesurant l'intensité du rayonnement électromagnétique qu'elle absorbe à des longueurs d'onde différentes.

Typologie

La spectroscopie d'absorption peut être atomique ou moléculaire.

Spectroscopie	Nom en français	Nom en anglais	Méthode d'excitation	Méthode d'atomisation	Exemples	Détection
Spectroscopie d'absorption atomique	Spectroscopie d’absorption atomique (SAA)	Atomic absorption spectroscopy (AAS)	Rayons électromagnétiques surtout UV-Visible	Flamme	Flame AAS (F-AAS)	Rayons électromagnétiques surtout UV-Visible non absorbés
				Électrothermie	Electrothermal AAS (ET-AAS) ou spectroscopie d'absorption atomique par four graphite (GF-AAS) ou SAA-ET ou SAAE
				Techniques de génération de vapeur	Spectrométrie d’absorption atomique à vapeur froide (CV-AAS) et spectrométrie d'absorption atomique par génération d'hydrure (HG-AAS)
	Spectroscopie d'absorption des rayons X (SAX)	X-ray absorption spectroscopy (XAS)	Rayons X	Pas d'atomisation	XANES, EXAFS	Rayons X non absorbés
Spectroscopie d'absorption moléculaire	Spectroscopie d'absorption moléculaire	Molecular absorption spectroscopy	Rayons électromagnétiques allant de l'ultraviolet jusqu'aux ondes radio	Pas d'atomisation		Rayons électromagnétiques allant de l'ultraviolet jusqu'aux ondes radio non absorbées

Spectroscopie d'absorption moléculaire

Comme indiqué dans le tableau précédent, les rayonnements électromagnétiques exploités en spectroscopie d'absorption moléculaire vont de l'ultraviolet jusqu'aux ondes radio :

Onde électromagnétique	Transition électronique, vibration ou rotation moléculaires	Nom en français	Nom en anglais
Ultraviolet et Visible	Transitions électroniques	Spectroscopie ultraviolet-visible	Ultraviolet–visible spectroscopy
Infrarouge	Vibrations de molécules	Spectroscopie infrarouge	Infrared spectroscopy
	Combinaison vibration-rotation de molécules	Spectroscopie Raman	Raman spectroscopy
Micro-ondes	Rotations de molécules	Spectroscopie rotationnelle	Rotational spectroscopy
Ondes radio	Rotations de molécules

Loi de Beer-Lambert

La couleur d'un corps en transmission (transparence) représente sa capacité à absorber certaines longueurs d'onde. L'absorption d'une longueur d'onde λ par une substance (parfois nommée un produit ou un milieu) est modélisée par la loi de Beer-Lambert :

$I=I_{0}\cdot e^{-\mu \cdot \rho \cdot x}$

où

• I₀ est l'intensité incidente de la radiation λ, et I est l'intensité sortante ;
• µ est le coefficient d'absorption (il dépend du type de substance et de λ) ;
• ρ est la masse volumique (de la substance) ;
• x est la distance parcourue (dans la substance).

On peut typiquement étudier les propriétés des substances chimiques en fonction de la concentration de différentes espèces (analyse quantitative) et/ou de l'environnement chimique de l'échantillon (analyse qualitative).

Analyse qualitative

Connaissant la densité d'un produit et le chemin x parcouru par la lumière, si l'on mesure l'intensité sortant du produit, on peut déterminer le coefficient d'absorption pour la longueur d'onde considérée.

Les pics d'absorption (maxima de µ) correspondent à des transitions électroniques (quantifiées), et sont donc caractéristiques de la nature des atomes et de leurs liaisons chimiques.

Ceci permet de reconnaître la nature chimique de certains produits. C'est notamment l'absorption de longueurs d'onde données de la lumière solaire qui a permis de découvrir que le Soleil était entouré de gaz, ce qui amena à la découverte de l'hélium.

Analyse quantitative

Supposons que l'on ait :

• un produit 1 ayant un coefficient d'absorption µ₁ très important pour une longueur d'onde λ₁ et négligeable pour λ₂ ;
• un produit 2 ayant à l'inverse un coefficient µ₂ d'absorption négligeable pour λ₁ mais très important pour λ₂ ;

alors, pour un mélange des produits 1 et 2, avec une masse volumique respective ρ₁ et ρ₂, on aura :

$I(\lambda _{1})=I_{0}(\lambda _{1})\cdot e^{-(\mu _{1}(\lambda _{1})\cdot \rho _{1} \mu _{2}(\lambda _{1})\cdot \rho _{2})\cdot x}\simeq I_{0}(\lambda _{1})\cdot e^{-\mu _{1}(\lambda _{1})\cdot \rho _{1}\cdot x}$

$I(\lambda _{2})=I_{0}(\lambda _{2})\cdot e^{-(\mu _{1}(\lambda _{2})\cdot \rho _{1} \mu _{2}(\lambda _{2})\cdot \rho _{2})\cdot x}\simeq I_{0}(\lambda _{2})\cdot e^{-\mu _{2}(\lambda _{2})\cdot \rho _{2}\cdot x}$.

La mesure des intensités respectives de λ₁ et λ₂ permet donc de déterminer ρ₁ et ρ₂, et donc de déterminer les proportions du mélange. Cela nécessite un étalonnage afin de s'abstraire de l'intensité I₀(λ) et de l'absorption propre de l'appareil. On travaille en général en rapport d'intensité :

${\frac {I(\lambda _{1})}{I(\lambda _{2})}}\simeq {\frac {I_{0}(\lambda _{1})}{I_{0}(\lambda _{2})}}\cdot e^{(\mu _{2}(\lambda _{2})\cdot \rho _{2}-\mu _{1}(\lambda _{1})\cdot \rho _{1})\cdot x}$

soit

$\mu _{2}(\lambda _{2})\cdot \rho _{2}-\mu _{1}(\lambda _{1})\cdot \rho _{1}\simeq {\frac {1}{x}}\cdot \ln \left({\frac {I(\lambda _{1})}{I(\lambda _{2})}}\cdot {\frac {I_{0}(\lambda _{2})}{I_{0}(\lambda _{1})}}\right)$.

La deuxième équation est celle donnant la masse volumique totale ρ :

ρ = ρ₁ ρ₂.

D'une manière générale, si l'on a un mélange de n produits ayant chacun un pic d'absorption caractéristique pour une longueur d'onde donnée λ_i, on a alors un système de n équations à résoudre :

$I(\lambda _{i})=I_{0}(\lambda _{i})\cdot \exp \left(-x\cdot \sum _{j=1}^{n}\mu _{j}(\lambda _{i})\cdot \rho _{j}\right)$

et

$\sum _{j=1}^{n}\rho _{j}=\rho$.

Applications

Outre l'analyse chimique, on utilise cette méthode pour déterminer le pourcentage d'oxygénation du sang (oxymétrie).