Soutenance mémoire
La notion de spectre remonte aux années 1666, quand Isaac NEWTON lors d’une expérience capitale est parvenu à décomposer la lumière du soleil à l’aide d’un prisme de verre d’où le nom de « spectre » qu’il donna au phénomène observé. En 1800, Wiliam HERSHELL astronome anglais mesure la température dans chaque zone du spectre lumineux ; il constate que les bleus et verts réchauffent moins que les rouges. Il s’aperçoit qu’à côté du rouge, dans les teintes non visibles pour l’œil humain, la température est encore plus élevée. Il a découvert les rayonnements IR (1). En 1861, le physicien écossais James Clerk MAXWELL développe une théorie tout à fait révolutionnaire : l’électromagnétisme. En 1863, il découvre qu’enmanipulant ses équations sur l’électricité et le magnétisme, il est capable d’extraire une valeur qui correspond à la vitesse de propagation de la lumière (2). En 1920, Albert EINSTEIN découvre que les semi-conducteurs peuvent émettre des photons, à la manière d’un corps noir et donc toutes les longueurs d’ondes électromagnétiques, y compris les fréquences de la lumière. En 1970, un chercheur français du CNRS met au point un semi-conducteur à base de carbone et graphite qui produit des photons, à une longueur d’onde infrarouge lointain. La possibilité de produire un rayonnement infrarouge (IR) fut à l’origine de la spectroscopie infrarouge. Cette dernière est une méthode d’analyse principalement structurale des composés : inorganiques et organiques, en solution ou à l’état solide. La spectroscopie IR est une spectroscopie d’absorption car les liaisons chimiques absorbent le rayonnement IR; ce dernier étant compris entre la région visible et celle des micro-ondes à des longueurs d’onde spécifiques dépendant de leur nature et de leur conformation. C’est ainsi que les informations données par le spectre permettent l’identification et le dosage des échantillons étudiés ainsi que l’étude des interactions entre les différents composants. Pour effectuer ces analyses ont dispose d’une gamme d’appareils allant des spectromètres à transformée de Fourier aux divers analyseurs portables dont certains sont du type dispersif, spécialisés dans le dosage de composés prédéfinis (analyse des gaz et des composés volatils). Les instruments actuels offrent de nombreuses possibilités de traitement des échantillons, de spectres et permettent des applications en analyse des microéchantillons.
GENERALITES
PRINCIPE
La spectroscopie infrarouge est fondée sur la mesure de la diminution de l’intensité du rayonnement qui traverse un échantillon en fonction de la longueur d’onde. Le rayonnement infrarouge dispense suffisamment de l’énergie pour modifier l’état d’énergie de vibration : transition vibrationnelle entre deux niveaux d’énergie. Elle met en évidence la nature des liaisons chimiques présentes dans une molécule. L’échantillon est soumis à un rayonnement électromagnétique dans la gamme de longueur d’onde du rayonnement infrarouge (0,7 μm < 𝛌 < 50 μm). Le champ électrique induit par l’onde électromagnétique peut interagir avec un moment dipolaire d’une entité moléculaire présente dans le matériau. Lorsque la fréquence de champ coïncide avec la fréquence de vibration de la molécule, l’interaction créer engendre la vibration de certaines liaisons et l’absorption de l’énergie de l’onde excitatrice correspondante. La fréquence à laquelle est absorbé le rayonnement dépend de la nature des liaisons, de la masse des atomes concernés et de l’environnement. La loi de Beer Lambert (A=f(C)) est vérifiée en infrarouge, ce qui en fait une méthode d’analyse quantitative (3).
ASPECTS THEORIQUES
Dans l’infrarouge, l’absorption de la lumière est due à une interaction entre les radiations de la source lumineuse et les liaisons chimiques.
SPECTRE INFRAROUGE
Le rayonnement infrarouge (IR) a été découvert en 1800 par William HERSHELL. Son domaine est localisé entre la région visible et celle des microondes et s’étend de 0,7 à 50 µm. Il est arbitrairement divisé en trois regions :
● Le proche IR : 0,7-2,5µm ;
● Le moyen IR : 2,5-25µm ;
● Le lointain IR : 25-50µm.
NIVEAUX D’ENERGIES MOLECULAIRES
La spectroscopie infrarouge, c’est l’étude de l’absorption d’un rayonnement électromagnétique par des entités chimiques (atomes ; ions ; molécule). Ces dernières se trouvent dans leur état fondamental. L’absorption d’énergie électromagnétique (hν) aura lieu si l’interaction onde-matière peut conduire l’entité irradiée de son état fondamental à l’un de ses états excités possibles. L’énergie d’une molécule est la somme de :
● l’énergie des électrons (Ee),
● l’énergie vibrationnelle (Ev),
● l’énergie de rotation de la molécule (Er).
E=Ee+Ev+Er
L’énergie de vibration des molécules, dépend de leur masse et du type de liaison.
Les atomes des molécules sont en mouvement, chaque atome possède 3 degrés de liberté. Ces mouvements confèrent à chaque molécule isolée une énergie mécanique total : E=Ee+ Ev+ Er. Les valeurs de ces énergies sont très différentes entre elles. Elles peuvent varier indépendamment les unes des autres. Les échantillons ordinaires sous forme condensée liquide ou solide et non pas sous forme d’espèces isolées produisent de nombreuses interactions dipoledipole entre les espèces. Ce qui entraine la perturbation des niveaux d’énergie et des longueurs d’onde d’absorption .
APPAREILLAGE
Il y a deux catégories d’instrument : les spectromètres IR à balayage (il s’agit du modèle le plus classique semblable aux spectrophotomètres utilisés en spectroscopie UV-visible) et ceux à transformée de Fourier. La première catégorie mesure chaque fréquence individuellement à l’aide de filtres ou d’un monochromateur selon la plage spectrale étudiée, ce qui prend 10 à 15 minutes par échantillon. Pour pallier à cette lenteur d’acquisition, les spectromètres FT-IR ont été développés, dont la pièce essentielle est l’interféromètre souvent de type Michelson qui permet la mesure de toutes les fréquences simultanément.
MONOCHROMATEUR
Le monochromateur est un prisme ou un réseau de diffraction utilisé en spectromètre IR classique, il décompose spectralement le rayonnement. Pour les spectrophotomètres IR à double faisceaux, le faisceau combiné passe à travers la fente d’entrée F1 du monochromateur vers le miroir M11 qui le réfléchit vers le réseau R1. Dispersé en diverses fréquences, ce faisceau est renvoyé sur le miroir M11 puis sur le miroir M12 qui focalise le faisceau vers la fente de sortie F2. La largeur de la gamme de fréquences dirigée sur la fente F2 est déterminée par la largeur de la fente d’entrée F1 et le pouvoir dispersant du réseau .
INTERFEROMETRE
L’interféromètre de Michelson est un dispositif optique adapté pour la spectroscopie IRTF, qui produit des interférences par division d’amplitude. Il est constitué essentiellement de deux miroirs et d’une lame semi réfléchissante. Les deux configurations possibles d’utilisation sont : la configuration en lame d’air (si la lame séparatrice se trouve sur la bissectrice des deux droites qui portent M1et M2) et celle en coin d’air (si M1 et M2 forment un angle α non nul entre eux).
Les radiations issues de la source polychromatique viennent frapper une lame semi réfléchissante, appelée séparatrice, incliné à 45° par rapport à la direction de propagation du rayonnement incident et placée au centre du montage. Elle est constituée d’un film de germanium déposé sur une lame de KBr. Ce dispositif permet de générer deux faisceaux dont l’un se dirige vers un miroir fixe et l’autre vers un miroir mobile dont on fait varier la distance à la séparatrice. Ces deux faisceaux, recombinés ensuite sur le même trajet, traversent l’échantillon avant de venir frapper le détecteur qui reçoit l’intensité lumineuse globale. Le cœur de l’interféromètre de Michelson est le miroir mobile, seule pièce en mouvement, qui oscille au cours du temps entre deux positions extrêmes. Lorsque sa position est telle que les chemins empruntés par les faisceaux ont la même longueur, la composition de la lumière sortante de l’interféromètre est identique à la lumière qui y entre. Par contre, lorsque le miroir mobile quitte cette position particulière, la lumière sortante a une composition spectrale qui dépend du déphasage entre les deux voies : le signal transmis au cours du temps par le détecteur est traduit sous forme d’un interférogramme (Int totale)= f (δ), δ représente la différence de trajet optique entre les deux voies .
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : GENERALITES
I. PRINCIPE
II. ASPECTS THEORIQUES
1. SPECTRE INFRAROUGE
2. ORIGINE DE L’ABSORPTION
3. MODES DE VIBRATIONS MOLECULAIRES
4. NIVEAUX D’ENERGIES MOLECULAIRES
5. GRANDEURS UTILISES DANS L’EXPLOITATION DU SPECTRE INFRAROUGE
III. APPAREILLAGE
1. SOURCE DE LA RADIATION
2. MONOCHROMATEUR
3. INTERFEROMETRE
4. CUVE DE MESURE
5. DETECTEUR
DEUXIEME PARTIE : APPLICATIONS BIOMEDICALES
I. DIAGNOSTIC RAPIDE D’ARTHRITE SEPTIQUE
1. ECHANTILLONNAGE
2. ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE MIR DEPORTEE
II. ETUDE DE L’OXYGENATION MUSCULAIRE EN CONTRACTION ISOMETRIQUE
III. EVALUATION DES ADAPTATIONS MUSCULAIRES PERIPHERIQUES EN CARDIOLOGIE
1. SUJET
2. ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE IR
IV. QUANTIFICATION DE LA FIBROSE TISSULAIRE
V. ANALYSE DU MYCELIUM POUR L’IDENTIFICATION DES CHAMPIGNONS FILAMENTEUX
VI. IMMUNODOSAGES ET DETECTION INFRAROUGE
1. SEPARATION PAR SOLVANT
2. ANALYSE PAR SPECTROSCOPIE INFRAROUGE A TRANSFORMEE DE FOURIER
CONCLUSION
REFERENCES
