Les principes fondamentaux de la diffusion et de la spectroscopie Raman

Auteurs : Chase Toncheff,Emily Bishop

La diffusion Raman est un processus physique dans lequel la direction et, plus important encore, l'énergie de la lumière entrante changent lorsqu'elle se diffuse sur un échantillon. La lumière qui interagit avec un échantillon peut subir plusieurs phénomènes différents ; la majeure partie de la lumière est absorbée, transmise ou réfléchie par l'échantillon. Cependant, une petite partie de cette lumière est diffusée de l'une des trois manières suivantes : Rayleigh, Raman de Stokes ou Raman anti-Stokes (Figure 1).

Exemple des trois différents mécanismes de diffusion pour une longueur d'onde d'entrée donnée et comparaison avec les longueurs d'onde diffusées.

Figure 1 : Exemple des trois différents mécanismes de diffusion avec une longueur d'onde d'entrée donnée et comparaison avec les longueurs d'onde diffusées.¹

La diffusion Raman de Stokes

Tout processus de diffusion peut être qualifié d'élastique ou d'inélastique : il y a diffusion élastique lorsque le photon entrant est diffusé avec la même quantité d'énergie que lorsqu'il est entré dans le système ; il y a diffusion inélastique lorsque le photon entrant est diffusé avec une énergie supérieure ou inférieure à celle qu'il contenait à l'origine. Rayleigh est une forme de diffusion élastique, tandis que Raman de Stokes et anti Stokes sont inélastiques. La caractéristique qui différencie les deux types de diffusion inélastique dépend de l'énergie du photon diffusé. Un scénario se produit lorsque le photon interagit avec le matériau et que le photon excite d'abord le matériau vers un état virtuel de plus haute énergie, puis se détend vers un état vibratoire de plus haute énergie. Le photon transfère de l'énergie à la molécule, ce qui signifie que le photon diffusé a une énergie plus faible et donc une longueur d'onde plus grande. Cet effet est connu sous le nom de diffusion Raman de Stokes. Au contraire, lorsque la molécule commence dans un état vibratoire de plus haute énergie et est excitée à l'état virtuel par l'interaction des photons, lorsqu'elle se détend pour revenir à un niveau d'énergie plus bas, elle descendra à un niveau d'énergie vibratoire plus bas. Le photon diffusé gagnera de l'énergie grâce à cette interaction et se diffusera à une longueur d'onde plus courte. Cet effet est connu sous le nom de diffusion Raman anti-Stokes. La spectroscopie Raman est souvent confondue avec la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ; cependant, la FTIR est la transition directe entre les états vibrationnels.

Illustration des deux différents types de processus de diffusion inélastique. Remarque : l'état excité virtuel n'est pas le premier état excité d'une molécule.

Figure 2 : Illustration des deux différents types de processus de diffusion inélastique. Remarque : l'état excité virtuel n'est pas le premier état excité d'une molécule.²

La diffusion Raman de Stokes est beaucoup plus courante que la diffusion Raman anti-Stokes, car la diffusion Raman anti-Stokes exige que la molécule soit déjà dans un état vibratoire excité.² Cela signifie que, bien que la diffusion Raman anti-Stokes ait une énergie plus élevée que la diffusion Raman Stokes, l'intensité est généralement beaucoup plus faible. C’est pourquoi on utilise généralement la diffusion de Stokes dans les mesures effectuées par la spectroscopie Raman.

Qu'est-ce que la spectroscopie Raman ?

La technique de spectroscopie Raman est l'une des méthodes les plus efficaces pour déterminer la composition chimique d'un échantillon par diffusion Raman.³ Dans cette technique de spectroscopie, un échantillon est excité par une source de lumière monochromatique, telle qu'un laser, et les décalages Raman sont recueillis. Les décalages Raman sont des décalages de fréquence qui se produisent lorsque la lumière monochromatique se diffuse sur un échantillon et produit une fréquence différente de celle de la source lumineuse d'origine. Cela permet de déterminer le changement d'énergie du photon, qui correspond à la même différence d'énergie entre l'état vibratoire fondamental et l'état excité. Ce processus permet de créer une empreinte digitale unique à partir de laquelle l'échantillon peut être identifié. La meilleure façon de mesurer l'effet Raman est d'utiliser des sources de lumière monochromatique, telles que les lasers. En raison de la légère différence de longueur d'onde entre les photons d'excitation et de diffusion due à la diffusion Raman, l'effet Raman serait probablement éclipsé par une source à large bande. Cela signifie que la longueur d'onde de la source est une spécification essentielle, qui influe sur la résolution, l'intensité et même le coût d'une installation de spectroscopie Raman. Le choix du laser peut s'étendre de l'ultraviolet (UV) à l'infrarouge (IR), et les différentes longueurs d'onde présentent des avantages et des inconvénients différents en fonction de l'application.⁴

Cette technique de spectroscopie a gagné en popularité dans le domaine des sciences de la vie et des applications médicales, car elle permet d'analyser un échantillon de manière non invasive et d'identifier les différents composants qu'il contient. Il est également utilisé en physique et en chimie du solide pour identifier les matériaux organiques et inorganiques. L'un des principaux avantages de la spectroscopie Raman est qu'il s'agit d'un moyen non destructif d'évaluer les échantillons sans les manipuler ni utiliser de colorants ou d'étiquettes.

Schéma d'une installation de spectroscopie Raman

Pratiquement toutes les installations Raman comprennent un laser qui excite l'échantillon et un détecteur qui recueille le signal d'émission. Des optiques supplémentaires sont intégrées au système pour focaliser le faisceau et optimiser la configuration afin d'améliorer la qualité du signal. Une installation simple de spectroscopie Raman peut comprendre un laser Nd:YAG, deux miroirs sur des supports cinématiques, deux prismes à angle droit et une lentille achromatique. La lumière du laser frappe deux miroirs à des fins d'alignement, comme le montre la configuration illustrée à la Figure 2, et est pliée à 90° par un prisme à angle droit. Une lentille achromatique focalise ensuite la lumière sur l'échantillon. La lumière diffusée par l'échantillon atteint le second miroir prismatique, qui la dévie dans un stoppeur de faisceau. La lentille achromatique rassemble alors la lumière diffusée et la concentre sur le détecteur pour la collecte.⁴

Installation pour la spectroscopie Raman.

Figure 3 : Montage pour la spectroscopie Raman.⁴

Considérations sur la puissance du laser

Pour de nombreux types d'échantillons, l'utilisation d'un laser d'excitation dans le proche infrarouge (NIR) est avantageuse, car de nombreuses substances sont fluorescentes à des longueurs d'onde proches de celles de la lumière UV, et cette fluorescence éclipse toutes les mesures de diffusion, ce qui rend presque impossible l'enregistrement de données significatives. Cela ne signifie pas que les longueurs d'onde plus élevées représentent de meilleurs systèmes ; un élément à prendre en compte lors de l'utilisation du proche infrarouge est le bruit et le coût plus élevés. En général, un bon équilibre entre la performance, la fluorescence et le coût est un laser NIR 785 nm.⁵ L'un des problèmes liés à l'utilisation des lasers NIR est qu'ils ont tendance à émettre une puissance plus élevée. Pour réaliser efficacement la spectroscopie Raman avec ce type de laser, il est essentiel que les composants optiques utilisés dans le système aient un seuil de dommage laser suffisamment élevé pour être compatibles avec la source laser utilisée. Cependant, il est important de comprendre qu'en raison de la nature statistique des essais de dommage laser, ce seuil n'est pas la puissance à laquelle aucun dommage ne se produira jamais. Le seuil de dommage laser est plutôt défini comme la limite à laquelle la probabilité d'endommagement est inférieure à un niveau de risque critique. Cela dépend de plusieurs facteurs – tels que le diamètre du faisceau, le nombre de sites d'essai par échantillon et le nombre d'échantillons testés - pour déterminer la spécification. Pour en savoir plus, consultez notre note d'application Comprendre et spécifier le LIDT des composants laser.

Rapport signal/bruit :

En termes de performances, un rapport signal/bruit (SNR) élevé est bénéfique pour détecter la faible efficacité des décalages Raman. Un bon exemple de l'importance d'un rapport signal/bruit élevé est l'analyse d'échantillons fluorescents, qui sont notoirement difficiles à étudier à l'aide de la spectroscopie Raman. Comme indiqué précédemment, le signal généré par le matériau fluorescent devient une source dominante de bruit, qui écrase la diffusion Raman. Étant donné qu'une simple augmentation de la puissance du laser entraînerait également une augmentation du signal de fluorescence, la fluorescence est généralement atténuée en modifiant la longueur d'onde du laser d'excitation.

Sélection du détecteur

Une façon d'améliorer le signal extrait consiste à utiliser un laser de longueur d'onde plus courte et, par conséquent, d'énergie photonique plus élevée, afin de s'assurer que l'énergie de la lumière est supérieure à celle de l'écart énergétique entre l'état fondamental et l'état excité de l'électronique. La réactivité du détecteur doit également être prise en compte. Par exemple, lors de l'utilisation d'un laser de 532 nm, les photons diffusés seront distribués dans le domaine visible. Il convient donc de choisir un détecteur ayant une efficacité quantique élevée dans le spectre visible, tel qu'un dispositif à couplage de charge (CCD). Cependant, lors de l'utilisation d'un laser proche infrarouge, tel qu'un Nd:YAG d'une longueur d'onde de 1064 nm, les détecteurs à arséniure de gallium (InGaAs) sont idéaux en raison de leur forte réactivité dans la région proche infrarouge. Il s'agit d'un moyen facile d'augmenter le signal sur le détecteur sans compromettre la conception générale.

Les CCD à face arrière amincie sont des options idéales pour la détection à faible luminosité de la spectroscopie Raman, car leur efficacité quantique atteint 90% à leur longueur d'onde maximale.⁶ Ces détecteurs ont des efficacités quantiques élevées dans les spectres visible et UV, car la lumière incidente interagit directement avec la région active du capteur. Les CCD à face arrière amincie NIR, dont l'efficacité quantique est améliorée dans le proche infrarouge et dans les régions des longueurs d’onde rouges, peuvent également être utilisés pour augmenter le rapport signal/bruit pour les grandes longueurs d'onde.

Filtrage

Un signal d'excitation propre est un élément essentiel d'une expérience de spectroscopie Raman, car il permet de mesurer avec précision les données de diffusion. Pour s'assurer que seul le signal souhaité est détecté, les filtres passe-bande et filtres passe-long à haute performance se complètent bien à cet égard. Lorsqu'ils sont intégrés dans un système (Figure 3), la transmission élevée et la largeur de bande étroite des filtres passe-bande éliminent le bruit et garantissent que seule la ligne laser souhaitée atteint l'échantillon. Ensuite, le filtre passe-haut est incorporé après l'interaction du laser avec l'échantillon pour laisser passer les longueurs d'onde supérieures à la longueur d'onde d'excitation, qui sont caractéristiques de la diffusion Raman de Stokes.

Le filtre passe-bande est utilisé pour nettoyer le faisceau avant qu'il n'entre dans le système, et le filtre passe-haut est utilisé pour s'assurer que seule la diffusion Raman de Stokes passe jusqu'à la détection.

Figure 4 : Le filtre passe-bande est utilisé pour nettoyer le faisceau avant qu'il n'entre dans le système, et le filtre passe-haut est utilisé pour s'assurer que seule la diffusion Raman de Stokes passe jusqu'à la détection.¹

Techniques avancées de spectroscopie Raman

La diffusion Raman normale produisant un signal extraordinairement faible, les chercheurs ont découvert plusieurs mécanismes permettant de lutter contre les faibles signaux associés à la spectroscopie Raman en augmentant la probabilité de diffusion Raman. L'amélioration du signal peut être obtenue grâce à deux théories. La première est la spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS), qui utilise des surfaces métalliques pour amplifier le champ électrique local, ce qui augmente les chances de diffusion Raman et permet d'obtenir une intensité plus élevée.⁷ L'amélioration chimique est également réalisée dans le cadre de la spectroscopie Raman de résonance, qui se produit lorsque la fréquence de la lumière incidente est proche de la fréquence d'une bande d'absorption électronique dans la molécule, ce qui augmente l'intensité de l'effet Raman.⁸

La spectroscopie Raman est également fréquemment intégrée dans les techniques de microscopie, comme par exemple la microscopie confocale. Les microscopes utilisés dans ces cas diffèrent des microscopes traditionnels en ce sens qu'ils comprennent des composants supplémentaires tels qu'un laser d'excitation, des filtres laser et un spectromètre. Le dispositif Raman peut être intégré de manière transparente dans les régions du chemin optique du microscope où la lumière est collimatée après avoir quitté un objectif conjugué infini. Pour faciliter ce processus, il peut être utile d'utiliser des tubes plus longs afin d'intégrer les composants supplémentaires dans le système. L'utilisation de la spectroscopie Raman au niveau microscopique est bénéfique pour l'analyse des structures microscopiques en vue de l'identification chimique.

Image Raman confocale d'une émulsion pharmaceutique, qui illustre la distribution chimique de l'huile (vert), de l'ingrédient pharmaceutique actif (bleu) et des impuretés de silicium (rouge).

Figure 5 : Image Raman confocale d'une émulsion pharmaceutique, qui illustre la distribution chimique de l'huile (vert), de l'ingrédient pharmaceutique actif (bleu) et des impuretés de silicium (rouge).⁹

La spectroscopie Raman est également utile pour améliorer l'imagerie biomédicale traditionnelle. Grâce à la technique Raman, l'imagerie peut être réalisée in vitro, ce qui permet de visualiser les structures biologiques au sein des organismes vivants. En outre, des images à haute résolution peuvent être obtenues en utilisant la microscopie confocale en conjonction avec la spectroscopie Raman. Cela a permis d'améliorer la résolution spatiale pour l'imagerie en 3D.¹⁰

Applications en croissance

La spectroscopie Raman peut être utilisée dans une variété d'applications. Elle est incroyablement utile aux personnes impliquées dans les sciences de la vie, car le spectre analysé par cette méthode fournit des identifiants précis et uniques de molécules spécifiques. Par exemple, la spectroscopie Raman est couramment utilisée comme technique d'identification des médicaments. Les mesures peuvent être effectuées à travers des bouteilles en plastique, ce qui permet de vérifier les drogues sans les contaminer en ouvrant la bouteille.¹¹ Les agents des patrouilles frontalières utilisent des appareils portatifs de spectroscopie Raman pour analyser rapidement et avec précision les spectres de substances confisquées inconnues. En comparant les spectres des substances inconnues à ceux de drogues illégales comme le fentanyl, les autorités peuvent éliminer les substances dangereuses en toute sécurité. Pour en savoir plus, consultez notre étude de cas L’emploi de la spectroscopie IR pour la détection des médicaments contrefaits. Outre son aspect pratique, les échantillons peuvent être utilisés sans additifs ni préparation supplémentaires, ce qui rend la spectroscopie Raman non seulement utile, mais aussi portable et efficace.

Les appareils portables de spectroscopie Raman sont également utiles lorsqu'ils sont utilisés sur place pour identifier rapidement des spécimens, par exemple dans le cadre d'une analyse médico-légale ou dans des environnements cliniques au point d'intervention. Ces appareils portatifs sont extrêmement utiles pour analyser des échantillons dangereux, car ils permettent de déterminer la composition chimique tout en conservant le matériau dans son emballage.¹² De même, le ministère de la Défense utilise la spectroscopie Raman pour analyser des matériaux explosifs à travers des conteneurs transparents sans explosion accidentelle.¹² Ce ne sont bien sûr pas les seuls cas où les techniques Raman sont applicables. La spectroscopie Raman est utilisée dans d'autres disciplines, comme la chimie, pour identifier des structures au niveau moléculaire ; dans le domaine de la science des matériaux, pour visualiser les contraintes et les déformations d'un matériau ; en géologie, pour identifier différentes pierres précieuses ; et en art, pour identifier des pigments ou des peintures inconnus.

La spectroscopie Raman est une technique puissante pour identifier des substances inconnues. Lors de la création d'un système de spectroscopie Raman, il est essentiel de sélectionner les bons composants optiques. Le choix des bons miroirs, lentilles, prismes, filtres et autres composants permet de minimiser le bruit et la perte de lumière afin de répondre aux exigences d'une application donnée. De l'archéologie au diagnostic des maladies, cette méthode de diagnostic au laser est essentielle dans de nombreux domaines.

La spectroscopie Raman chez Edmund Optics^®

Edmund Optics fournit une large gamme de composants pour les systèmes de spectroscopie Raman, notamment des miroirs, des prismes, des lentilles, des sources laser et des composants optomécaniques. D'autres composants idéaux pour ces systèmes sont ajoutés en permanence, car l'espace d'application de la spectroscopie Raman ne cesse de croître.

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