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La nouvelle spectroscopie Raman : compact, flexible et puissante
Par Dr Nick Barnett, Dr Giorgia Marucci (Pro-Lite Technology) & Cicely Rathmell (Wasatch Photonics)
Mai 2021
Introduction
Il y a plus de 90 ans, C.V. Raman recevait le prix Nobel de physique pour la découverte qui porte son nom. Depuis lors, des améliorations successives des systèmes de mesure ont permis à la spectroscopie Raman de devenir un outil analytique puissant et polyvalent, utilisé dans un large éventail d’applications allant de la science des matériaux au diagnostic médical.
La source d’excitation est primordiale dans la spectroscopie Raman. Dans ses premières expériences, Raman utilisait la lumière solaire filtrée comme source de rayonnement et observait visuellement la lumière diffusée à l’aide d’un ensemble de filtres colorés. L’invention du laser en 1960, et son application comme source d’illumination monochromatique, a transformé la qualité des spectres Raman. D’autres développements concernant les détecteurs, les filtres optiques, les réseaux à haute efficacité et les sondes à fibre optique ont accéléré l’évolution de l’instrumentation optique au cœur de la spectroscopie. En conséquence, une nouvelle génération de spectromètres Raman compacts et abordables est désormais disponible, avec la sensibilité et la flexibilité nécessaires pour servir toute une série d’applications.
Comment un appareil Raman compact pourrait-il offrir une sensibilité ou une qualité de signal comparable à celle d’un instrument de paillasse plus grand et plus coûteux ?
Wasatch Photonics comble cet écart de performance avec une gamme de spectromètres rationalisés basés sur une grande ouverture optique et incorporant des réseaux de transmission holographiques à haute efficacité (voir figure 1). Il en résulte des spectromètres Raman compacts beaucoup plus rapides et plus sensibles que les spectromètres compacts typiques.
Figure 1: Principe du spectromètre Raman de Wasatch Photonics sur le marché
Etre sur la même longueur d'onde..
La sensibilité d’un spectromètre Raman est importante, mais elle ne suffit pas toujours à garantir le succès d’une mesure. De nombreux autres facteurs doivent être pris en compte, notamment la longueur d’onde du laser, la plage de mesure et l’interface entre l’instrument et l’échantillon.
Le choix de la longueur d’onde d’excitation peut être critique pour une mesure Raman, et dépendra du matériau de l’échantillon et des composants de la matrice. Les options de longueur d’onde du laser pour le Raman vont de l’UV au NIR, chacune ayant ses propres applications préférées. Bien que les longueurs d’onde plus courtes génèrent plus de signal Raman, elles génèrent également plus de fluorescence de fond qui peut dégrader le rapport signal/bruit (SNR) pour les échantillons organiques. Des fournisseurs de Raman reconnus comme Wasatch Photonics ont développé une gamme de produits Raman allant de 248 à 1280 nm (voir Figure 2), permettant à chaque utilisateur d’équilibrer le signal, le fond de fluorescence, la taille et le coût pour son application unique. Cela permet à une plateforme unique de servir une gamme variée d’applications, de l’analyse des matériaux et des gaz aux produits pharmaceutiques, aux échantillons biologiques, aux denrées alimentaires et aux colorants/poudres noires.
Figure 2: Spectromètres Wasatch Photonics pour différentes longueurs d’onde d’excitation
La fluorescence, par exemple, est un facteur d’utilisation de la spectroscopie Raman dans l’industrie alimentaire et des boissons, où elle peut être appliquée à des fins de contrôle de la qualité et d’authentification. La disponibilité de systèmes Raman aux longueurs d’onde du proche infrarouge accroît le potentiel de la technique pour une analyse rapide, non invasive et sans ambiguïté dans ce secteur. La figure 3 compare les spectres Raman de l’huile de noix de coco excitée par trois sources laser différentes ; l’utilisation de l’excitation à 1064 nm élimine pratiquement le fond de fluorescence et offre le meilleur rapport signal/bruit. De même, le Raman 1064nm s’est avéré être un outil efficace pour d’autres enquêtes sur les produits alimentaires : pour la discrimination de la viande intacte(1), l’authentification de l’huile d’olive extra vierge(2), la détection de l’adultération dans le lait de chèvre(3), et bien d’autres.
Figure 3: Spectre Raman de l’huile de coco comparé à différentes longueurs d’onde d’excitation 532nm (ligne verte), 785nm (ligne rouge) et 1064nm (ligne jaune).
Apporter des réponses dans la gamme
Le choix optimal de la plage spectrale et de la résolution lors de l’utilisation du Raman dépend des éléments à analyser. De nombreuses applications sont bien servies par la détection des pics Raman dans la région dite de l’empreinte digitale qui s’étend jusqu’à 1800 cm-1. Cependant, il peut parfois être utile de détecter des bandes moléculaires au-delà de la région de l’empreinte, à partir de modes d’étirement de groupes tels que O-H et N-H, ou de liaisons hautement saturées (voir figure 4). Les spectromètres Wasatch Photonics offrent la possibilité d’explorer et d’étendre la gamme d’intérêt jusqu’à 3600 cm-1 avec le spectromètre WP 785 ER et jusqu’à 5000 cm-1 pour le WP 532 EXR. A titre d’exemple, la gamme étendue du WP 785 ER a trouvé une application réussie dans l’identification de microplastiques et de polymères en vrac(4)(5).
Figure 4: Groupes fonctionnels Raman par fréquence, par rapport à la plage de fonctionnement d’un spectromètre d’empreintes digitales (WP 785) et à plage étendue (WP 785 ER)
Adapter Raman à votre échantillon
Alors que les systèmes Raman de paillasse volumineux s’efforcent d’accueillir des échantillons de tous types, le Raman compact rationalise l’interface avec l’échantillon grâce à des configurations qui répondent aux différents besoins des utilisateurs. Une application peut nécessiter un couplage direct des échantillons en espace libre pour maximiser le débit, tandis qu’une autre pourrait bénéficier d’une sonde Raman pour une plus grande flexibilité. Le portefeuille de Wasatch Photonics offre une variété d’options : systèmes entièrement intégrés, semi-intégrés et modulaires. Un système entièrement intégré peut offrir le plus petit encombrement et la plus grande efficacité de collecte en combinant le spectromètre, le laser et l’optique de couplage dans un seul boîtier. Un système semi-intégré offre une plus grande souplesse d’installation sous la forme d’un spectromètre avec laser intégré, associé à une sonde Raman reliée à l’unité principale par des fibres optiques flexibles. Enfin, un système entièrement modulaire composé d’un spectromètre, d’un laser, de fibres flexibles et d’une sonde Raman séparés peut intéresser les utilisateurs qui possèdent déjà un laser ou qui ont besoin d’un système adaptable.
Figure 5: Gamme Wasatch de spectromètres Raman, de modulaire à totalement intégré en passant par semi-intégré.
Cette philosophie de configuration par l’utilisateur a été étendue à la sonde Raman grâce à un embout interchangeable qui permet de reconfigurer la sonde pour différents types d’échantillons et de distances de travail. Grâce à un filetage conçu pour accueillir de nombreux accessoires optiques disponibles dans le commerce, on obtient un degré de polyvalence permettant d’effectuer différentes mesures avec la même unité en changeant simplement l’optique frontale (voir figures 6 à 9).
La technologie analytique des procédés (PAT) est l’une de ces applications. La spectroscopie Raman est largement utilisée pour surveiller les processus chimiques et biologiques comme la fermentation des micro-organismes, un processus utilisé dans de nombreux domaines industriels tels que l’énergie, l’alimentation et les produits pharmaceutiques. La sonde Raman WP 785 RP à pointe interchangeable s’est avérée être un outil efficace dans le suivi de la fermentation du glucose avec de la levure lorsqu’elle est couplée à une sonde à immersion(6). La même sonde à immersion a également trouvé une application dans la détection des microplastiques dans l’eau(7). Dans cette application, la lentille sphérique à l’intérieur de la sonde se comportait comme un réflecteur dans un résonateur ultrasonique, où les microparticules de plastique s’aggloméraient aux nœuds des ondes ultrasoniques et étaient analysées par spectroscopie Raman (figure 8).
Figure 6: Sonde Raman WP avec embout BallProbe® pour le contact ou l’immersion
Figure 7: Embout de sonde avec adaptateur d’objectif personnalisé pour modifier la taille de l’échantillon et la distance de travail
Figure 8: Une onde stationnaire ultrasonique formée entre un transducteur piezo et une sonde Raman utilisée comme réflecteur capture les petites particules dans les nœuds.
Figure 9: Sonde Raman Wasatch couplée à un objectif de microscope
Un total plus grand que ses parties
Grâce aux innovations apportées au banc optique, à la plate-forme et aux optiques d’échantillonnage pour maximiser la flexibilité et les performances, les « nouveaux » spectromètres Raman compacts sont devenus une option très intéressante pour un nombre croissant d’applications. Ces bancs optiques élégants s’avèrent offrir une sensibilité remarquable pour une fraction de la taille des systèmes de table plus grands, libérant la technique pour une utilisation dans de nouveaux contextes, domaines et industries.
Cependant, les capacités de résolution de problèmes du Raman sont-elles compromises par l’évolution au-delà de la table de travail ? Nous pensons que non. La disponibilité de bancs optiques à plusieurs longueurs d’onde spécifiques permet aux utilisateurs de sélectionner le meilleur laser pour maximiser le signal Raman tout en minimisant la fluorescence. Parallèlement, les conceptions modulaires et les plates-formes de spectromètres rationalisées offrent la possibilité de mesurer différents échantillons en interchangeant simplement quelques composants en fonction des exigences de l’application.
En conservant la puissance et la polyvalence du Raman tout en se débarrassant du poids qui le retenait autrefois dans les laboratoires, le « nouveau » Raman compact est prêt à conquérir de nouveaux domaines.
A propos de Wasatch Photonics
La cause la plus fréquente de poches d’air piégées est due à des trous de vis à filetage aveugle. Dans la mesure du possible, il convient de remplacer les trous de vis par des trous traversants. Cette caractéristique permettra au gaz piégé derrière une vis de s’échapper pendant le pompage sous vide. S’il n’est pas possible d’intégrer un trou traversant dans la conception, l’alternative est d’utiliser une fixation ou une vis ventilée. Une fixation ventilée comporte généralement un trou percé axialement et centralement pour permettre au gaz piégé de s’échapper de l’espace situé derrière elle.
Vous devez vérifier auprès du fabricant que l’étage de commande de mouvement utilise des trous traversants et des fixations ventilées afin de minimiser le nombre de poches de gaz piégées qui pourraient potentiellement s’échapper dans des conditions de vide.
La propreté et l'embalage
Wasatch Photonics est un fabricant de réseaux de transmission VPH, de spectromètres compacts et de solutions pour la tomographie par cohérence optique. Leurs spectromètres à faible nombre f sont conçus pour des applications à faible luminosité, ce qui leur permet de combler l’écart de performance entre les spectromètres analytiques haut de gamme et les appareils portables économiques. Pro-Lite est le partenaire de distribution européen de Wasatch Photonics en Allemagne, Espagne, Portugal, France, Royaume-Uni et Irlande.
Pour plus d’informations, veuillez consulter le site www.wasatchphotonics.com
Références
(1) Chima, Robert, et al. « Rapid discrimination of intact beef, venison and lamb meat using Raman spectroscopy. » Food Chemistry 343 (2021): 128441.
(2) Aykas, Didem Peren, et al. « Non-targeted authentication approach for extra virgin olive oil. » Foods 9.2 (2020): 221.
(3) Yaman, Hülya. « A rapid method for detection adulteration in goat milk by using vibrational spectroscopy in combination with chemometric method s. » Journal of Food Science and Technology (2020): 1-8.
(4) Takahashi, Tomoko, et al. « Identification of microplastics in a large water volume by integrated holography and Raman spectroscopy. » Applied Optics 59.17 (2020): 5073-5078.
(5) https://wasatchphotonics.com/applications/plastic-identification-extended-range-raman/
(6) https://wasatchphotonics.com/applications/raman-process-monitoring/
(7) Radel, Samantha, et al. « In Situ Enhancement of Microplastic Raman Signals in Water Using Ultrasonic Capture. » (2020). https://www.spectroscopyonline.com/view/situ-enhancement-microplastic-raman-signals-water-using-ultrasonic-capture
