Photonique

La spectrométrie

Le spectre de la lumière correspond à la répartition des différentes longueurs d’onde ou fréquences de la lumière, qu’elle soit visible ou non. Il couvre tout le spectre électromagnétique, mais on se concentre généralement sur les gammes qui incluent la lumière visible, l’ultraviolet (UV) et l’infrarouge (IR) pour les applications courantes.

Nous utilisons la réaction de différentes longueur d’ondes sur le principe de l’absorption en spectrométrie

Émission de lumière sur la plante : l’appareil émet de la lumière à partir d’un ensemble de LED à des longueurs d’onde spécifiques UV, visibles et proches infrarouges (NIR). Ces longueurs d’onde sont soigneusement sélectionnées pour cibler les propriétés biochimiques clés de la plante, telles que la teneur en chlorophylle, les niveaux de nutriments et les marqueurs de stress.

Réception de la lumière réfractée : Lorsque la lumière interagit avec les tissus végétaux, certaines longueurs d’onde sont absorbées, tandis que d’autres sont réfléchies. Le capteur optique du Nutriscope™ capture l’intensité des signaux lumineux renvoyés pour chaque longueur d’onde.

Calcul de la courbe d’absorption : en analysant la différence entre la lumière émise et la lumière reçue, Nutriscope™ calcule la courbe d’absorption, une empreinte unique qui révèle la composition chimique de la plante. Des pics et des creux évidents dans la courbe ou un motif complexe détecté uniquement par IA indiquent comment des composés végétaux spécifiques, tels que la chlorophylle et les nutriments, interagissent avec la lumière. Ces schémas permettent au Nutriscope™ de quantifier les paramètres clés de la santé des plantes, fournissant ainsi des informations exploitables aux agriculteurs.

Le fonctionnement de l’absorption en spectrométrie

La spectrométrie d’absorption est une méthode d’analyse qui repose sur le principe suivant : lorsqu’une lumière traverse un échantillon, certaines longueurs d’onde spécifiques sont absorbées en fonction des propriétés de l’échantillon. L’étude de cette absorption permet de déterminer la composition et/ou la concentration de certaines espèces chimiques présentes dans l’échantillon.

Principe de base

Quand la lumière (ou une onde électromagnétique) interagit avec la matière, les molécules, atomes ou ions de l’échantillon peuvent absorber de l’énergie lumineuse si cette énergie correspond exactement à une transition énergétique possible dans le système. Ces transitions peuvent concerner :

Les électrons : Excitation des électrons vers des niveaux d’énergie plus élevés.
Les vibrations moléculaires : Absorption de l’énergie dans l’infrarouge, causant des changements dans les vibrations des liaisons chimiques.
Les rotations moléculaires : Dans le domaine des micro-ondes.

L’absorption d’une longueur d’onde donnée se traduit par une diminution de l’intensité de la lumière mesurée après interaction avec l’échantillon.

Étapes du fonctionnement de la spectrométrie d’absorption

1

Source de lumière :

Une lampe émet une lumière polychromatique (contenant un spectre large de longueurs d’onde) ou monochromatique (spécifique à une longueur d’onde précise).

2

Sélection de la longueur d’onde :

La lumière traverse un monochromateur (comme un prisme ou un réseau de diffraction) qui sélectionne une longueur d’onde précise. Cette longueur d’onde est choisie en fonction de l’élément ou de la molécule à analyser.

3

Interaction avec l’échantillon :

La lumière passe à travers l’échantillon (généralement sous forme liquide ou gazeuse) contenu dans une cuve ou une cellule. Une partie de la lumière est absorbée par l’échantillon. L’absorption dépend :

De la nature chimique des espèces présentes.
De leur concentration dans l’échantillon.
De l’épaisseur de la cuve (parcours optique).

4

Mesure de l’intensité lumineuse :

L’intensité de la lumière après passage à travers l’échantillon est mesurée par un détecteur (comme une photodiode ou un capteur CCD). En parallèle, une mesure de l’intensité de la lumière incidente (avant interaction) est effectuée pour avoir une référence.

Résultats obtenus

Un spectre d’absorption est obtenu en mesurant l’absorbance en fonction de la longueur d’onde.
Les pics d’absorption correspondent aux longueurs d’onde spécifiques où le matériau absorbe l’énergie lumineuse.

Les positions des pics permettent d’identifier les composés ou éléments présents.
L’intensité des pics est proportionnelle à la concentration de l’espèce absorbante.

Applications

Chimie analytique :

Détermination de la concentration d’éléments ou de composés dans une solution (par exemple, doser des métaux en solution par spectrométrie d’absorption atomique).

Identification moléculaire :

Identification des groupes fonctionnels d’une molécule grâce aux spectres d’absorption dans l’infrarouge (IR).

Biologie :

Analyse des biomolécules, comme les protéines ou les acides nucléiques, par spectrophotométrie UV-visible.

Industrie pharmaceutique :

Contrôle de la pureté des composés.

Environnement :

Mesure de polluants dans l’eau ou l’air.

Exemples courants de spectrométrie d’absorption

Spectrophotométrie UV-visible :

Étudie les transitions électroniques en UV (200-400 nm) et visible (400-800 nm).

Spectrométrie infrarouge (IR) :

Étudie les vibrations moléculaires dans la gamme infrarouge (2.5-25 µm).

En résumé, la spectrométrie d’absorption repose sur la capacité des matériaux à absorber de la lumière à des longueurs d’onde spécifiques, ce qui fournit des informations qualitatives et quantitatives sur leur nature et leur concentration.

La chimiométrie assistée par l’IA

La spectroscopie est la technique analytique qui applique le plus la chimiométrie.

La chimiométrie est l’utilisation de techniques mathématiques et statistiques pour extraire des informations pertinentes des données analytiques, dans le cas présent, les données spectrales. La chimiométrie et la technologie spectrale ont toutes deux évolué dans une symbiose où la spectroscopie permet d’obtenir des modèles d’identification et de quantification plus robustes et d’étendre son applicabilité, tout en posant de nouveaux défis. Ces derniers motivent l’amélioration de nombre de ses techniques.