Un spectromètre est un instrument scientifique, utilisé pour analyser le spectre des rayonnements électromagnétiques, il peut afficher un spectre de rayonnements sous forme de spectrographe représentant la distribution de l'intensité lumineuse par rapport à la longueur d'onde (l'axe y est l'intensité, l'axe x est la longueur d'onde). /fréquence de la lumière).La lumière est séparée selon les longueurs d'onde de ses constituants à l'intérieur du spectromètre par des séparateurs de faisceaux, qui sont généralement des prismes réfractifs ou des réseaux de diffraction (Fig. 1).
Fig. 1 Spectre de l'ampoule et de la lumière du soleil (à gauche), principe de division du faisceau du réseau et du prisme (à droite)
Les spectromètres jouent un rôle important dans la mesure d'une large gamme de rayonnement optique, que ce soit en examinant directement le spectre d'émission d'une source lumineuse ou en analysant la réflexion, l'absorption, la transmission ou la diffusion de la lumière suite à son interaction avec un matériau.Après l'interaction de la lumière et de la matière, le spectre subit un changement dans une certaine plage spectrale ou une longueur d'onde spécifique, et les propriétés de la substance peuvent être analysées qualitativement ou quantitativement en fonction du changement du spectre, comme l'analyse biologique et chimique de la composition et la concentration du sang et des solutions inconnues, ainsi que l'analyse de la molécule, de la structure atomique et de la composition élémentaire des matériaux Fig. 2.
Fig. 2 Spectres d'absorption infrarouge de différents types d'huiles
Inventé à l'origine pour l'étude de la physique, de l'astronomie et de la chimie, le spectromètre est aujourd'hui l'un des instruments les plus importants dans de nombreux domaines tels que le génie chimique, l'analyse des matériaux, la science astronomique, le diagnostic médical et la biodétection.Au 17ème siècle, Isaac Newton était capable de diviser la lumière en bandes colorées continues en faisant passer un faisceau de lumière blanche à travers un prisme et a utilisé pour la première fois le mot « spectre » pour décrire ces résultats. Fig. 3.
Fig. 3 Isaac Newton étudie le spectre de la lumière solaire avec un prisme.
Au début du 19ème siècle, le scientifique allemand Joseph von Fraunhofer (Franchofer), en combinaison avec des prismes, des fentes de diffraction et des télescopes, a fabriqué un spectromètre de haute précision, utilisé pour analyser le spectre des émissions solaires Fig. 4. Il observé pour la première fois que le spectre des sept couleurs du soleil n'est pas continu, mais comporte un certain nombre de lignes sombres (plus de 600 lignes discrètes), connues sous le nom de célèbre « ligne de Frankenhofer ».Il a nommé la plus distincte de ces raies A, B, C…H et il a dénombré quelque 574 raies entre B et H qui correspondent à l'absorption de différents éléments du spectre solaire Fig. 5. A la même époque, Fraunhofer était aussi le d'abord utiliser un réseau de diffraction pour obtenir des spectres de raies et calculer la longueur d'onde des raies spectrales.
Fig. 4. Un des premiers spectromètres, vu avec l'humain
Fig. 5 Ligne Fraun Whaffe (ligne sombre dans le ruban)
Fig. 6 Spectre solaire, avec la partie concave correspondant à la raie de Fraun Wolfel
Au milieu du 19ème siècle, les physiciens allemands Kirchhoff et Bunsen ont travaillé ensemble à l'Université de Heidelberg et avec le nouvel outil à flamme de Bunsen (le brûleur Bunsen) et ont effectué la première analyse spectrale en notant les raies spectrales spécifiques de différents produits chimiques. (sels) saupoudrés dans la flamme du bec Bunsen fig.7. Ils ont réalisé l'examen qualitatif des éléments en observant les spectres et ont publié en 1860 la découverte des spectres de huit éléments et ont déterminé l'existence de ces éléments dans plusieurs composés naturels.Leurs découvertes ont conduit à la création d’une branche importante de la chimie analytique par spectroscopie : l’analyse spectroscopique.
Fig.7 Réaction de la flamme
Dans les années 20 du 20e siècle, le physicien indien CV Raman a utilisé un spectromètre pour découvrir l'effet de diffusion inélastique de la lumière et des molécules dans les solutions organiques.Il a observé que la lumière incidente se diffusait avec une énergie de plus en plus faible après avoir interagi avec la lumière, ce qui sera plus tard appelé diffusion Raman fig 8. Le changement d'énergie lumineuse caractérise la microstructure des molécules, de sorte que la spectroscopie de diffusion Raman est largement utilisée dans les matériaux, la médecine, la chimie. et d'autres industries pour identifier et analyser le type moléculaire et la structure des substances.
Fig. 8 L'énergie se déplace après que la lumière interagit avec les molécules
Dans les années 30 du 20e siècle, le scientifique américain Dr Beckman a proposé pour la première fois de mesurer séparément l'absorption des spectres ultraviolets à chaque longueur d'onde afin de cartographier le spectre d'absorption complet, révélant ainsi le type et la concentration des produits chimiques en solution.Cette voie de transmission et d'absorption de la lumière comprend la source de lumière, le spectromètre et l'échantillon.La majeure partie de la détection actuelle de la composition et de la concentration des solutions est basée sur ce spectre d’absorption par transmission.Ici, la source de lumière est divisée sur l'échantillon et le prisme ou le réseau est balayé pour obtenir différentes longueurs d'onde (Fig. 9).
Fig.9 Principe de détection de l'absorbance –
Dans les années 40 du 20e siècle, le premier spectromètre à détection directe a été inventé et, pour la première fois, des tubes photomultiplicateurs, des PMT et des appareils électroniques, ont remplacé l'observation oculaire traditionnelle ou le film photographique, qui pouvaient lire directement l'intensité spectrale en fonction de la longueur d'onde. 10. Ainsi, le spectromètre en tant qu'instrument scientifique a été considérablement amélioré en termes de facilité d'utilisation, de mesure quantitative et de sensibilité au fil du temps.
Fig. 10 Tube photomultiplicateur
Entre le milieu et la fin du 20e siècle, le développement de la technologie des spectromètres était indissociable du développement des matériaux et dispositifs semi-conducteurs optoélectroniques.En 1969, Willard Boyle et George Smith des Bell Labs ont inventé le CCD (Charge-Coupled Device), qui a ensuite été amélioré et développé en applications d'imagerie par Michael F. Tompsett dans les années 1970.Willard Boyle (à gauche), George Smith qui a remporté le prix Nobel pour son invention du CCD (2009), illustré Fig. 11. En 1980, Nobukazu Teranishi de NEC au Japon a inventé une photodiode fixe, qui a considérablement amélioré le rapport de bruit de l'image et résolution.Plus tard, en 1995, Eric Fossum de la NASA a inventé le capteur d'image CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), qui consomme 100 fois moins d'énergie que les capteurs d'image CCD similaires et a un coût de production bien inférieur.
Fig. 11 Willard Boyle (à gauche), George Smith et leur CCD (1974)
À la fin du 20ème siècle, l'amélioration continue de la technologie de traitement et de fabrication des puces optoélectroniques semi-conductrices, notamment avec l'application des réseaux CCD et CMOS dans les spectromètres Fig. 12, il devient possible d'obtenir une gamme complète de spectres en une seule exposition.Au fil du temps, les spectromètres ont été largement utilisés dans un large éventail d'applications, notamment la détection/mesure des couleurs, l'analyse de longueur d'onde laser et la spectroscopie de fluorescence, le tri des LED, les équipements d'imagerie et de détection de l'éclairage, la spectroscopie de fluorescence, la spectroscopie Raman, etc. .
Fig. 12 Diverses puces CCD
Au 21e siècle, la technologie de conception et de fabrication de divers types de spectromètres a progressivement mûri et stabilisée.Avec la demande croissante de spectromètres dans tous les domaines, le développement des spectromètres est devenu plus rapide et plus spécifique à l'industrie.En plus des indicateurs de paramètres optiques conventionnels, différentes industries ont des exigences personnalisées en matière de taille du volume, de fonctions logicielles, d'interfaces de communication, de vitesse de réponse, de stabilité et même de coûts des spectromètres, ce qui rend le développement du spectromètre plus diversifié.
Heure de publication : 28 novembre 2023