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Article

1 - PRINCIPES

2 - INSTRUMENTATION

3 - PARAMÈTRES INSTRUMENTAUX

4 - VÉRIFICATION DES PERFORMANCES, VALIDATION DES DONNÉES, BPL

5 - CONDUITE D’UNE ANALYSE

6 - DOMAINES D’APPLICATION

  • 6.1 - Quelques exemples
  • 6.2 - Applications particulières, couplages

7 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : P2795 v2

Instrumentation
Spectrophotométrie d’absorption dans l’ultraviolet et le visible

Auteur(s) : Dominique DI BENEDETTO, Philippe BREUIL

Relu et validé le 01 août 2023

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RÉSUMÉ

Technique très présente dans les laboratoires et l’industrie, la spectrophotométrie d’absorption dans l’ultraviolet et le visible (UV-VIS) a bénéficié de nombreuses améliorations technologiques ces dernières années. Les principes, ainsi que l’instrumentation (organisation des composants, sources de rayonnement, cellules d’absorption, etc) et les paramètres instrumentaux sont tout d’abord introduits. Ensuite, la vérification des performances, et la validation des données sont passées en revue : exactitudes, résolution spectrale, bruit et rectitude de la ligne de base. Enfin, la conduite d’une analyse est proposée, puis les domaines d’application possibles terminent cet article.

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ABSTRACT

Absorption spectrophotometry in the ultraviolet and visible range

A widely used technique in laboratories and the industry, absorption spectrophotometry in the ultraviolet and visible range (UV-VIS) has benefited from numerous technological improvements over the last few years. Its principles, instrumentation (organization of components, radiation sources, absorption cells, etc.) and instrumental parameters are firstly introduced. Performance verification and data validation are then reviewed: accuracies, noise and baseline straightness. To conclude, a conducted analysis is offered along with possible application domains.

Auteur(s)

  • Dominique DI BENEDETTO : Professeur honoraire à l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne

  • Philippe BREUIL : Ingénieur de recherches à l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne

INTRODUCTION

La spectrophotométrie d’absorption dans l’ultraviolet et le visible (UV-VIS) est une technique d’un âge respectable encore très utilisée dans les laboratoires et dans l’industrie. Elle a bénéficié des progrès technologiques récents – miniaturisation, fibres optiques – et des moyens de calcul apportés par l’outil informatique. De plus, c’est une technique bien adaptée aux moyens de contrôle et de validation qui permettent de produire des données de qualité reconnue et quantifiée.

La terminologie utilisée dans le domaine de la spectrophotométrie d’absorption moléculaire n’est pas encore normalisée. On peut se reporter à la norme AFNOR NF X 02-206 et à l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) pour la terminologie en anglais, dont le site est donné dans . Les anglo-saxons utilisent plutôt le terme « spectroscopy ».

Si cette technique est encore largement utilisée, c’est qu’elle présente des qualités qui seront développées dans ce dossier, dont on peut citer les plus évidentes :

  • technique d’un coût raisonnable, de l’ordre de 10 000 à 30 000 € ;

  • vérification et validation des données bien documentées ;

  • travail entre deux « bornes » : 0 et 100 % de transmission, facilement vérifiables ;

  • de nombreuses espèces à l’état gazeux, liquide ou solide absorbent dans l’UV-VIS, soit directement, soit après développement d’espèces absorbantes ;

  • on dispose d’une abondante bibliographie et de notes d’applications dans de nombreux domaines ;

  • on peut obtenir de bonnes sensibilités, soit par préparation des échantillons, soit en modifiant des paramètres physiques comme la longueur du trajet optique par exemple ;

  • les temps de réponse peuvent être très courts, même pour l’enregistrement de spectres complets ;

  • on trouve sur le marché des composants miniatures, des fibres optiques et des cellules couplées qui permettent de faire des mesures déportées, ce qui permet d’adapter facilement la technique à des problèmes particuliers ;

  • les méthodes modernes de traitement des données permettent de résoudre des problèmes difficiles d’analyse multi-composants ou de suppression des interférences ;

  • on peut coupler la spectrométrie UV-VIS avec d’autres techniques comme la chromatographie.

Ces caractéristiques seront développées dans ce dossier, ainsi que les limitations qui sont principalement que :

  • la dynamique (gamme de mesures) est réduite par la loi logarithmique et la lumière parasite ; il existe, de plus, les phénomènes de diffusion et de fluorescence ;

  • les interférences spectrales ne sont pas toujours maîtrisées, de même que les effets physico-chimiques comme le pH, les effets du solvant, la température... ;

  • c’est une méthode d’analyse essentiellement quantitative, surtout lorsque plusieurs espèces absorbent, ce qui rend difficile la reconnaissance de la signature spectrale ;

  • les logiciels ont tendance à présenter des résultats qui donnent confiance, mais attention à l’effet « boîte noire », surtout quand la composition des échantillons varie : les méthodes d’analyse multivariable ne permettent plus de tracer la bonne vieille loi de Beer-Lambert. Il faudra donc vérifier les données fournies avec des échantillons de caractéristiques connues, et dans tout le domaine de concentrations que l’on risque de trouver dans les échantillons inconnus.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-p2795


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2. Instrumentation

Nous ne traiterons dans ce paragraphe que des spectrophotomètres pouvant permettre l’obtention des spectres et la mesure des absorbances, ce qui exclut les simples colorimètres ou photomètres à longueur d’onde fixe.

2.1 Organisation des composants

On peut classer les appareils en deux catégories :

  • les appareils à simple faisceau, eux-mêmes subdivisés en appareils à montage optique direct ou à montage optique inversé ;

  • les appareils à double faisceau, à montage optique direct.

Le choix des appareils va dépendre des problèmes à résoudre : on peut dire que les appareils à double faisceau sont les appareils les plus performants en termes de possibilités d’analyses diverses et de caractéristiques métrologiques ; ce sont généralement les plus chers ! En revanche, beaucoup d’appareils à simple faisceau utilisent des techniques récentes comme les détecteurs à barrettes de diodes, les fibres optiques, les monochromateurs et lampes miniatures... Ils sont souvent constitués de modules simples à assembler, ce qui peut permettre de construire des spectrophotomètres bien adaptés aux problèmes à résoudre.

  • La figure 7 présente le schéma des appareils à simple faisceau, avec les deux montages existants, en excluant les appareils simples à filtres optiques colorés ou interférentiels. Ce montage nécessite au moins deux mesurages : un sur le blanc pour obtenir I o, l’autre sur le (ou les) étalon(s) puis sur le (ou les) échantillon(s) pour obtenir I.

    Le disperseur est ici représenté par un prisme qui n’est plus utilisé dans les appareils récents, mais qui simplifie le schéma. Dans le même souci de simplicité, on a omis les composants optiques chargés de définir la géométrie du faisceau. Le montage détaillé et le fonctionnement des spectromètres sont décrits dans le dossier [R 6 310] des Techniques de l’Ingénieur [1].

  • Le schéma de principe des spectrophotomètres à double faisceau est présenté figure ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOUCHAREINE (P.) -   Spectrométrie Optique  -  . Techniques de l’Ingénieur. [R 6 310] (1994).

  • (2) -   The diode array advantage in UV/VISIBLE spectroscopy  -  . Document HP (Agilent) No 12-5954-8912 (1988) http://www.chem.agilent.com/scripts/

  • (3) -   MMS Spectral Sensors  -  . Publication Zeiss No 79-802-e (1995) http://www.zeiss.de/spectral

  • (4) -   Guide pour l’expression des incertitudes de mesure  -  . NF ENV 13005, classement X07-020 (1999).

  • (5) -   Quantifying Uncertainties in Analytical Measurement  -  . EURACHEM/CITAC Guide GC4 2nd ed (2000). http://www.measurementuncertainly.org/mu/QUAM200-1.pdf

  • (6) -   Fundamentals of UV-visible Spectroscopy  -  . Document HP (Agilent) No 12-5967-6357 E. http://www.chem.agilent.com/scripts/

  • ...

1 Normes

HAUT DE PAGE

1.1 Association française de normalisation AFNOR :

• Guide pour l’expression des incertitudes de mesure. NF ENV 13005 (1999).

• Spectrophotométrie d’absorption moléculaire – Vocabulaire et généralités. T01-030 (Décembre 1982).

• La chimie analytique – Tome 1 : analyse, normes fondamentales – Tome 2 : échantillonnage, méthodes générales d’analyse et réactifs, ISBN : 2-12-172911 (Janvier 2001).

• L’ AFNOR a normalisé des méthodes d’analyse par spectrophotométrie dans différents domaines avec la classification A06–***.

D’autres guides sont disponibles sur le site du LNE (Laboratoire National de métrologie et d’essais) : http://www.Ine.fr.

L’IUPAC ( http://www.iupac.org/) publie les règles de nomenclature et de vocabulaire de la chimie.

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