Bien choisir un spectromètre

Comme indiqué dans l’introduction, on distingue deux grands types de spectromètres : les spectromètres de rayonnement et les spectromètres de masse.

Spectromètre Raman de la marque Horiba

Spectromètres de rayonnement

• Les spectromètres d’absorption (SA) : ce type de spectromètre mesure la proportionnalité entre l’intensité lumineuse absorbée et la quantité de matière absorbante. Les spectres font apparaître des pics correspondant chacun à une longueur d’onde particulière, caractéristique de la substance analysée. Cette technique est utilisée soit sur des molécules en phase liquide ou gazeuse, soit sur de la vapeur atomique obtenue en décomposant thermiquement les échantillons liquides ou solides.

• Les spectromètres d’émission (SE) : avec ce type de spectromètre, les atomes de l’échantillon sont soumis à une source d’excitation. En se désexcitant, ils émettent un rayonnement caractéristique du composé à analyser.

• Les spectromètres de diffusion Raman : ils utilisent la diffusion inélastique d’un rayonnement incident par les molécules qui composent l’échantillon à analyser. La différence des fréquences entre le rayonnement diffusé et le rayonnement incident permet d’identifier les liaisons chimiques de ces molécules. La spectrométrie Raman est donc une technique de choix pour l’analyse structurale en complément de la spectrométrie infrarouge et de la spectrométrie de masse.

• Les spectromètres de résonance magnétique nucléaire (RMN) : cette technique va utiliser les propriétés magnétiques des noyaux atomiques. La RMN va induire et détecter la transition d’énergie des moments magnétiques nucléaires, du niveau de plus basse énergie à celui de plus haute énergie. Pour ce faire, les atomes à analyser sont placés dans un champ magnétique et soumis à un rayonnement radiofréquence. La mesure de la fréquence de résonance de ce champ permet alors de faire l’analyse des molécules.

Spectromètres de masse (SM)

Spectromètre de masse de la marque Thermo Scientific

Le principe de fonctionnement des spectromètres de masse réside dans la séparation, en phase gazeuse, de molécules chargées (ions) en fonction de leur rapport masse/charge (m/z). Les spectromètres de masse permettent de déterminer :

• La masse moléculaire d’un composé ;
• La masse des fragments de ce composé ;
• La quantité de matière.

Les applications en spectrométrie sont diverses et variées. Dans ce guide d’achat, nous retiendrons principalement les analyses biologiques, la recherche, l’industrie pharmaceutique et l’analyse environnementale.

• Analyses biologiques : la spectrométrie de masse est la technique de choix dans le domaine de l’analyse d’échantillons biologiques. On utilise ainsi des spectromètres de masse pour détecter par exemple des biomarqueurs dans des fluides biologiques.
• Recherche : on a recours aux spectromètres, notamment en biologie moléculaire, pour l’analyse de matériel génétique.
• Industrie pharmaceutique : les spectromètres permettent de contrôler la composition de médicaments, notamment des principes actifs.
• Analyse environnementale : les spectromètres peuvent être utilisés afin de détecter de nombreuses substances comme les pesticides, les composés organiques volatiles ou encore les hydrocarbones aromatiques.

Spectromètre d’absorption atomique de la marque Agilent

Il existe différentes spécificités en fonction du type d’analyse et de la méthode d’excitation : par absorption atomique, par absorption moléculaire et par infrarouge.

Spectromètres d’absorption atomique

On a recours à ce genre de spectromètres pour effectuer des analyses au niveau atomique. Cette technique nécessite en général une étape préalable d’atomisation, c’est-à-dire de dissociation d’une espèce chimique en atomes libres. Cette forme de spectrométrie d’absorption est très efficace et recouvre de ce fait un champ d’application extrêmement large. Des mesures précises sont réalisables même lorsque l’échantillon est constitué d’un assemblage complexe d’éléments chimiques. C’est une technique de référence pour l’analyse des éléments à l’état de traces dans une très grande variété d’échantillons, notamment biologiques. En médecine par exemple, la spectrométrie d’absorption atomique permet d’analyser avec précision des échantillons de sang ou de tissus prélevés sur des patients.

On retrouve deux sortes de spectromètres d’absorption atomique :

• Les spectromètres d’absorption atomique (SAA) : excitation par des rayons électromagnétiques ;
• Les spectromètres d’absorption des rayons X (SAX) : excitation par des rayons X sans besoin préalable d’une étape d’atomisation.

Spectromètre UV-visible de la marque Spectronic Camspec

Spectromètres d’absorption moléculaire

Ils sont utilisés pour effectuer des analyses au niveau moléculaire. Il s’agit de la technique la plus répandue pour l’analyse qualitative et quantitative de substances. Les photons émis sont dans le domaine spectral de l’UV-visible. La spectroscopie d’absorption moléculaire a l’avantage d’être simple d’emploi, d’être non destructive et rapide. Cependant, elle ne s’applique qu’à des échantillons peu complexes. En effet, la largeur des bandes d’absorption moléculaire n’est pas assez précise pour distinguer spécifiquement tous les composants d’un mélange complexe.

Selon le mode d’excitation, on retrouve :

• Les spectromètres UV : les longueurs d’onde des photons sont dans le domaine de l’ultraviolet (100 nm – 400 nm)  ;
• Les spectromètres UV-Vis  : les longueurs d’onde des photons couvrent tout le spectre allant de l’ultraviolet au visible (100 nm – 750 nm) ;
• Les spectromètres Vis : les longueurs d’onde des photons sont dans le domaine du visible (400 nm – 750 nm) ;

Les spectromètres infrarouges

Spectromètre infrarouge de la marque Bruker

Les spectres d’absorption infrarouge permettent de déterminer la nature des liaisons chimiques composant une molécule et donc de confirmer des hypothèses structurales.

En effet, la spectrométrie infrarouge est une technique de choix pour lever les ambiguïtés quant à la structure d’une molécule. Cependant, cette technique est moins précise si la molécule contient beaucoup d’atomes. Le spectre devient alors rapidement complexe et l’interprétation très délicate. C’est notamment le cas pour les composés organiques. Pour ces cas de figure, la spectrométrie d’absorption atomique est privilégiée.

Les spectromètres d’émission sont principalement utilisés pour l’analyse quantitative et qualitative au niveau atomique. Dans ce cas-là, l’échantillon à analyser est excité et émet un rayonnement. La mesure quantitative de ce rayonnement provenant des atomes stimulés permet de déterminer la concentration de la substance à analyser.

On peut citer plusieurs caractéristiques liées à ce type de spectromètres :

• Plage de mesure très large et dynamique ;
• Analyse qualitative et quantitative de plusieurs éléments en une seule et même mesure ;
• Hautes précision et sensibilité ;
• Vitesse élevée ;
• Absence d’interférences chimiques.

Selon le type d’excitation et d’émission, on va distinguer :

Les spectromètres à fluorescence

Spectromètre à fluorescence de la marque Edinburgh Instruments

L’émission de fluorescence est observée lorsque la particule est excitée par un rayonnement électromagnétique. Le rayonnement émis est spécifique de la particule à analyser. Cette technique a donc le grand avantage d’être très précise et spécifique, la rendant particulièrement adaptée à la mesure des très faibles concentrations. Cependant, la technique est plus complexe à mettre en œuvre que la spectrométrie d’absorption.

Lorsque l’excitation est effectuée par un rayonnement X, on parle alors de fluorescence X.

Les spectromètres d’émission atomique (SEA)

Ici les atomes sont excités thermiquement en étant portés à haute température. Cependant, l’excitation effectuée n’est pas sélective mais concerne indistinctement toutes les particules qui composent l’échantillon. Chaque raie d’émission correspond à un élément et le spectre d’émission permet de déceler et de quantifier tous les atomes ou les molécules présents dans l’échantillon.

La spectrométrie de masse permet de déterminer la masse moléculaire d’une substance et d’obtenir ses données structurales.

Pour effectuer une analyse par spectrométrie de masse, il est nécessaire que l’échantillon soit vaporisé et ionisé. L’ion moléculaire obtenu est séparé en fragments qui sont triés dans un analyseur selon le rapport masse/charge puis collectés par un détecteur. Le résultat est obtenu sous la forme d’un spectre de masse, caractéristique de la composition de l’échantillon.

C’est une technique de détection et d’identification extrêmement sensible. Il s’agit d’une technique de choix pour l’analyse de protéines par exemple.

Les avantages et spécificités de cette technique sont les suivantes :

• Champ d’application très large pouvant aller de l’analyse de toutes petites molécules (poids moléculaire < 2.000 Da) à celle de macromolécules (poids moléculaire > 100.000 Da) ;
• Technique très précise permettant de déterminer le poids moléculaire à une unité près ;
• Technique pouvant être couplée à d’autres techniques analytiques (chromatographiques par exemple) pour encore plus de précision.