Spectroscopie IR et spectroscopie FTIR : fonctionnement d'un spectromètre FTIR et analyse FTIR

Jan 08, 2024

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La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) est une technique extrêmement populaire aujourd'hui, en raison de sa combinaison unique de sensibilité, de flexibilité, de spécificité et de robustesse. Capable de faire face aux analytes solides, liquides et gazeux, il est devenu l'une des techniques instrumentales analytiques les plus largement pratiquées en science. Bien qu'il existe un certain nombre de limites connues à la FTIR, telles que sa relative intolérance à l'eau et sa sensibilité aux propriétés physiques de la matrice d'analyse, elle est néanmoins extrêmement populaire et couramment utilisée dans des secteurs aussi divers que l'alimentation et les boissons1, la chimie, l'ingénierie, l'environnement2, la pharmacie3 et la biomasse4 et dans les environnements cliniques.5 Les formes d'instrumentation appropriées incluent désormais les appareils de table, portables et en ligne en temps réel.

Qu'est-ce que la spectroscopie IR ?

Qu'est-ce que la spectroscopie FTIR et quelle est la différence entre la spectroscopie FTIR et IR ?

Comment fonctionne le FTIR ?

Analyse FTIR et collecte de données FTIR

Comment interpréter un spectre IR et un spectre FTIRCarte de spectre IR

Avantages, inconvénients et utilisations de la spectroscopie moyen et proche IR/FTIR

Applications FTIR – présentes et futures

L'œil humain ne peut voir qu'une petite partie du spectre beaucoup plus large du rayonnement électromagnétique (Figure 1). Du côté à haute énergie du spectre visible se trouve la région ultraviolette (UV), tandis que du côté de l'énergie inférieure se trouve l'infrarouge (IR). Les régions IR les plus utiles pour l'analyse des composés organiques ont tendance à avoir une longueur d'onde de 2 500 à 16 000 nm. Les infrarouges lointain, moyen et proche (NIR) sont inclus sous l'égide de la "spectroscopie moléculaire".

La spectroscopie IR est l'étude de l'interaction de la lumière IR avec la matière, où la lumière IR est caractérisée par la gamme de nombres d'onde s'étendant de 12 800 à 10 cm-1. Historiquement, par convention, l'IR a tendance à être décrit en "nombre d'onde", où tout nombre d'onde est inversement proportionnel à sa longueur d'onde. Ainsi, une longueur d'onde plus courte aura un nombre d'onde plus grand, se référant au fait que plus d'ondes pourraient s'adapter à une distance donnée. L'IR lointain est typiquement défini comme un rayonnement entre 500 et 20 cm-1, l'IR moyen entre 4 000 et 500 cm-1 et le NIR comme typiquement entre ~ 10 000 et 4 000 cm-1.

La lumière infrarouge est absorbée par les molécules à des fréquences spécifiques basées sur les liaisons moléculaires entre les atomes et les types d'atomes présents à l'extrémité des liaisons. Les énergies des photons dans la région IR induisent une excitation vibrationnelle des atomes liés de manière covalente. Ces liaisons covalentes sont souvent considérées comme agissant comme des ressorts rigides qui peuvent s'étirer, se plier, tourner et se cisailler (Figure 2). Le rayonnement infrarouge moyen de plus haute énergie excite les vibrations fondamentales lorsque l'énergie est absorbée par les molécules, les élevant de l'état fondamental au premier état vibratoire. En revanche, la spectroscopie NIR est composée de bandes combinées de "harmoniques" produites à partir de ces vibrations fondamentales. Le lecteur est également dirigé vers des documents d'introduction supplémentaires utiles disponibles auprès de la Royal Society of Chemistry.

Figure 2 : Animation montrant les mouvements tridimensionnels qui peuvent se produire pour les liaisons atomiques moléculaires lorsqu'elles sont excitées par la lumière IR. Ces mouvements provoquent les bandes d'absorbance spectrale IR que nous observons. Crédit : Extrait de YouTube https://www.youtube.com/watch?v=0S_bt3JI150

La différence entre IR et FTIR est que ce dernier est construit à partir d'un interférogramme comme signal brut. Cela représente l'intensité lumineuse en fonction de la position d'un miroir à l'intérieur de l'interféromètre, et non en fonction de la longueur d'onde (comme cela se produit dans les instruments dispersifs). C'est du vol". Le signal doit d'abord être transformé par Fourier (FT) pour produire l'intensité en fonction du nombre d'onde.

Par convention, lorsque nous parlons de FTIR, nous pensons qu'il fonctionne dans la région de l'IR moyen. Cependant, l'instrumentation FT est disponible pour les formes spectrales UV et NIR. FTIR et FT-NIR sont des techniques potentiellement complémentaires, mais généralement l'analyste doit faire un choix entre celles à utiliser pour une application particulière, il vaut donc la peine de considérer leurs forces et leurs faiblesses relatives.

L'acquisition des spectres FTIR est beaucoup plus rapide que par les instruments dispersifs conventionnels. La méthode FT produit des spectres qui présentent un bien meilleur rapport signal/bruit et, comme l'échelle de longueur d'onde est calibrée avec un laser de référence très précis, fournit une précision de longueur d'onde supérieure à celle de l'IR.

Les spectrophotomètres infrarouges ont été développés au milieu des années 1940. Initialement, leurs applications se limitaient principalement aux travaux de recherche sur les composés organiques, et principalement dans le domaine de la pétrochimie. Ces premiers instruments étaient des spectrophotomètres à balayage dispersif (figure 3) et lent. Les instruments dispersifs existent toujours et ont trouvé un nouveau souffle dans de nouvelles applications, car ils peuvent être plus facilement miniaturisés et fabriqués à moindre coût, pour produire de petits boîtiers de poche avec des systèmes d'exploitation simples exécutés sur des téléphones mobiles.

Aujourd'hui, la plupart des instruments IR moyens de qualité recherche et développement sont de type FT. Leur développement remonte aux années 1890 et aux travaux d'Albert Michelson qui, tout en étudiant la vitesse de la lumière, inventa "l'interféromètre", pour lequel il reçut le prix Nobel. Un instrument FTIR utilise un interféromètre (Figure 4), qui se compose d'une source, d'un séparateur de faisceau, de deux miroirs, d'un laser et d'un détecteur. L'énergie va de la source au séparateur de faisceau qui divise le faisceau en deux parties. Une partie est transmise à un miroir mobile, l'autre est réfléchie à un miroir fixe. Le miroir mobile se déplace d'avant en arrière à une vitesse constante, contrôlée par la réponse du laser de calibrage. Les deux faisceaux sont réfléchis par les miroirs et recombinés au niveau du séparateur de faisceau, générant un motif d'interférence, qui est transmis à travers le compartiment de l'échantillon (et, s'il est présent, l'échantillon où l'absorbance se produit) au détecteur. Ce signal est ensuite soumis à la fonction FT pour générer un spectre.

La forme d'onde d'interférence résultante, appelée "interférogramme", (discutée plus tard) produite par l'instrument FT code toutes les informations sur toutes les longueurs d'onde mesurées. Cependant, pour générer un spectre interprétable, le signal doit d'abord être soumis à une fonction mathématique de transformée de Fourier intensive en calculs. En 1966, le développement de l'algorithme de Coey-Tukey6, 7 a fourni un raccourci de calcul, la "transformée de Fourier rapide" ou FFT. Ceci, avec l'avènement des premiers systèmes informatiques commerciaux, a permis le lancement du premier FTIR commercial, le FTS-14, en 19698 (Figure 5).

L'analyse à l'aide d'un FTIR se déroule comme suit.

Il existe désormais toute une gamme d'instruments FTIR et d'accessoires interchangeables polyvalents qui permettent d'analyser des échantillons gazeux, liquides et solides de différentes tailles et formes avec le même instrument de base. Il convient de noter que le verre normal n'est pas transmissible au moyen IR, de sorte que toutes les optiques d'instrument et les accessoires d'échantillonnage doivent être construits à partir d'autres matériaux optiques IR appropriés. Les premières techniques développées pour les échantillons solides nécessitaient que l'analyte soit broyé et mélangé avec des substrats transmissibles par infrarouge, souvent du bromure de potassium (KBr), sous haute pression dans un petit disque transparent solide. Ceux-ci ont ensuite été montés dans un support pour les mesures de transmission. Les échantillons liquides (ne contenant pas d'eau) étaient souvent formés sous forme de films minces entre deux de ces disques transmissibles par infrarouge avec une petite entretoise. Le temps et la reproductibilité étaient les deux problèmes avec cette méthode.

Au cours des 30 dernières années, il y a eu une adoption croissante d'alternatives, notamment les techniques désormais omniprésentes de "ATR" (réflectance totale atténuée). Cet appareil peut accueillir de petites quantités d'échantillons liquides ou solides placés sur une fenêtre en cristal sans véritable préparation d'échantillon, ce qui permet de recueillir un spectre en quelques secondes. Lorsque les solides sont analysés, ils sont fermement pressés sur la fenêtre cristalline par une pince de fixation supérieure (Figure 6). La plupart des applications publiées pour les échantillons solides utilisent maintenant cette forme de dispositif. D'autres types de dispositifs, tels qu'un hémisphère réfléchissant pour la réflectance diffuse ou des cellules scellées à échantillon de gaz, sont également disponibles pour des applications spécifiques. Il existe même des plaques au format microtitration à 96 positions fabriquées à partir d'or et d'autres matériaux compatibles IR, permettant un dépistage à haut débit à l'aide d'unités accessoires FTIR spécialement adaptées.9

Un mode de fonctionnement typique (Figure 7) nécessite d'abord qu'un spectre "blanc" de fond soit collecté. Celui-ci contiendra les valeurs d'absorbance de l'ensemble du trajet du faisceau lumineux (optique et atmosphérique). L'échantillon est ensuite analysé et le spectre du blanc en est soustrait pour donner les réponses spectrales uniques à l'échantillon seul. La résolution du nombre d'onde (généralement de 4 à 16 cm-1) et les balayages co-ajoutés (généralement de 8 à 64) nécessitent une optimisation spécifique à l'application pour obtenir un équilibre signal/bruit acceptable. Les scans individuels sont rapides, généralement inférieurs à 1 seconde sur les instruments modernes, donc avec la co-ajout de scans et la soustraction spectrale de fond, les flux de travail d'analyse pour un seul échantillon sur un appareil ATR peuvent être réalisés en moins de 2 minutes. Cela rend FTIR-ATR en particulier idéal pour mesurer des centaines ou des milliers d'échantillons dans les applications de fabrication ou de dépistage, y compris l'empreinte métabolomique.10

Les spectres FTIR sont riches en informations, mais ce fait même peut rendre leur utilisation et leur interprétation difficiles. Une introduction utile pour l'interprétation FTIR peut être trouvée ici. Même un échantillon composé simple, pur et unique, comme la vanilline (Figure 8), a un spectre multi-pic. Dans de tels cas, les approches d'appariement de bibliothèques à un standard authentifié peuvent l'identifier dans un mélange à un seul composant, mais cela serait impossible dans des mélanges complexes d'autres composés. Le problème est que la plupart des composés organiques contiennent des combinaisons d'atomes de carbone (C), d'hydrogène (H), d'azote (N) ou d'oxygène (O) sur des liaisons simples ou doubles, et donc les mêmes pics d'absorption multiples se chevauchent d'un composé à l'autre. Essayer simplement de "regarder" de nombreux spectres pour essayer de juger si ou comment les échantillons dont ils proviennent sont différents d'une manière ou d'une autre devient rapidement un défi écrasant, même pour un analyste expérimenté. Pour résoudre ce problème, les données FTIR sont fréquemment utilisées en combinaison avec des approches de modélisation statistique, telles que l'analyse multivariée (MVA), qui, dans un contexte de chimie, est communément appelée « chimiométrie ».

Les données spectrales FTIR se prêtent très bien aux techniques MVA, qui nécessitent simplement que plusieurs spectres soient collectés à partir de chaque échantillon et construits dans une seule matrice de données. Ici, chaque ligne du tableau est le spectre complet d'un échantillon individuel, et chaque colonne est l'absorbance alignée pour des nombres d'onde consécutifs particuliers sur tous les échantillons. Sous cette forme, des techniques telles que l'analyse en composantes principales (ACP) peuvent être appliquées pour explorer et visualiser efficacement les relations possibles basées sur les classes entre les réponses spectrales de différents groupes d'échantillons via leurs tracés de scores. Cela donne une "interprétabilité" immédiate des différences d'échantillons, ce qui est très difficile à évaluer à partir de la simple superposition de spectres provenant de différentes classes d'échantillons. Un exemple de graphique des scores PCA est illustré à la figure 9 pour les différenciations d'échantillons de bio-huiles brutes et traitées.

Lorsque la quantification est l'objectif (par exemple, les valeurs de concentration), les approches MVA, telles que la régression partielle des moindres carrés, peuvent être utilisées pour construire des prédictions d'étalonnage basées sur la valeur quantitative pour des propriétés telles que les concentrations chimiques, en utilisant des données précédemment recueillies sur la composition de chaque échantillon à partir d'autres techniques d'analyse. Ces valeurs connues sont ensuite introduites dans le calcul algorithmique pour identifier les caractéristiques spectrales qui correspondent le mieux à la valeur externe d'intérêt. Cette dernière approche est très populaire car, lorsqu'elle est correctement planifiée et validée, elle peut permettre au FTIR de remplacer efficacement les tests de chimie humide pour de nouveaux échantillons inconnus (du même type), ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent. Une conséquence utile de la construction de modèles MVA est que le tableau de sortie statistique produit, en plus des parcelles d'échantillonnage, permet d'identifier la longueur d'onde la plus importante utilisée dans la construction du modèle. À partir de ces informations, il est souvent possible d'interpréter certaines informations chimiques directes.

Le FTIR est pratiquement toujours supposé être "moyen"-FTIR. Les instruments dispersifs IR moyens non FT ne peuvent pas produire ce large spectre car la vitesse de balayage est lente et sa puissance (signal sur bruit) est tellement plus faible. Cependant, le NIR a tellement plus d'énergie qu'un instrument dispersif non FT peut produire des spectres similaires aux instruments mid-FTIR. Mais cela prendrait plus de temps et donc la résolution (nombre de nombres d'ondes réels mesurés) a tendance à être plus faible.

Le graphique ci-dessous (Figure 10) montre les bandes produites par les principaux groupes fonctionnels (1500 cm-1 et plus). La région 500-1500 cm-1, qui se trouve dans la région IR moyen, est appelée la région des empreintes digitales et fournit des empreintes moléculaires uniques à des composés spécifiques qui ne peuvent pas être falsifiés.

La forme et la structure des spectres mi-IR vs NIR sont assez différentes, avec des spectres mi-IR contenant des bandes d'absorption spectrale plus nettes et plus définies (Figure 11) pour les espèces organiques, qui prêtent ainsi la technique à l'élucidation structurelle et à l'identification des composés. En outre, des tableaux de données détaillés sur les régions de nombre d'onde de groupes de fonctions moléculaires caractéristiques ont été rassemblés et publiés au fil des ans, la plupart dans des domaines d'application spécifiques. Les molécules organiques absorbent fortement le rayonnement infrarouge moyen, de sorte que de bons spectres peuvent être obtenus à partir d'un échantillon relativement petit (par exemple, quelques grains de poudre). Les inconvénients incluent son intolérance à l'eau (qui éteint le signal IR même lorsqu'il n'est présent qu'à quelques pour cent). De plus, le fait même que les matières organiques absorbent généralement si bien l'IR moyen signifie que le spectre résultant ne sera que de quelques microns de pénétration de l'échantillon et représentera une homogénéité limitée. Par conséquent, une préparation d'échantillon ou une réplication analytique beaucoup plus minutieuse est nécessaire.

Les avantages du NIR comprennent une forte réponse aux attributs chimiques et physiques de l'échantillon (par exemple, ce qui le rend utile pour les applications globales de classement d'échantillons). Le rayonnement NIR permet une pénétration beaucoup plus importante de l'échantillon, car il n'est que faiblement absorbé, de sorte qu'un volume d'échantillonnage accru peut augmenter la sensibilité, obtenir une meilleure homogénéité et nécessiter beaucoup moins de préparation d'échantillon pour qu'une mesure soit effectuée. Les principaux inconvénients du NIR sont associés à la spécificité chimique. La plupart des réponses moléculaires NIR sont des harmoniques de premier ordre (ou plus), qui présentent des degrés de chevauchement des signaux, limitant potentiellement le pouvoir discriminatoire. Cependant, ce qui est considéré comme un avantage par rapport à un inconvénient est entièrement spécifique à l'application, de sorte que les instruments IR moyen et NIR sont largement utilisés pour différentes applications.

Le FTIR se situe dans un "sweet spot" assez unique en termes de coûts d'équipement, de facilité d'utilisation et d'informations qu'il peut produire. Sa flexibilité l'a vu appliqué à plus de domaines qu'il n'y a de place pour en discuter dans cet article. Une gamme d'applications pharmaceutiques et médicales devient de plus en plus courante.11

De plus, un développement technique particulièrement intéressant au cours des 20 dernières années a été l'apparition et l'évolution de l'imagerie chimique basée sur des puces vidéo FTIR (focal place array, "FPA") pour une utilisation en microscopie. Alors que les microscopes FTIR existent depuis les années 1970 dans un format standard, ils n'utilisent qu'un seul détecteur IR ponctuel, et toute imagerie ne peut être obtenue qu'en assemblant un grand nombre de mesures spatiales uniques. De telles images, même de quelque chose de petit comme un morceau de tissu coupé d'un cm-2, prendraient des heures à collecter. Les puces d'imagerie modernes à infrarouge moyen, telles que les matrices de 128 x 128 pixels de taille typique (mais peuvent avoir une résolution plus élevée), sont maintenant devenues la norme. Un réseau 128x128 produit 16 000 spectres résolus spatialement en un seul balayage. Les images peuvent être acquises en moins de 30 à 60 secondes et sont largement utilisées. Cela rend possibles des applications spatialement résolues telles que la médecine légale, les artefacts archéologiques, les contaminants physiques tels que les microplastiques, les tests de comprimés pharmaceutiques pressés12 et le dépistage par biopsie tissulaire pour l'état de la maladie et la prédiction diagnostique.13, 14 FTIR-FPA peut être utilement appliqué aux situations où les signaux chimiques doivent être interprétés dans un large contexte spatial.15, 16

Les références

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