La Microscopie Raman

La Microscopie Raman

Historique et situation actuelle de la Microscopie Raman

Avantages et limites de la Microscopie Raman

Théorie et mécanismes

Principe

Spectres vibrationnels, règles de sélection

Symétrie des molécules et tables de caractères

Spectre Raman de résonance

Les bandes Raman

Intensités relatives ou absolues

La fluorescence, parasites et phénomènes connexes

Instrumentation

La Microscopie Raman in situ

Historique et situation actuelle de la Microscopie Raman                               

Chandrasekhara Venkata Raman (prix Nobel 1930) et K.S Krishnan passent pour être les premiers expérimentateurs de l’effet Raman lors de l’observation de la réflexion d'un rayon de lumière solaire sur une surface d'eau (Raman & Krishnan, 1928), mais c’est L. Brillouin et A. Smekal qui, en 1923, firent les premières prévisions de la réflexion inélastique de la lumière.

Ces premières observations ont encore pendant quelques années été étayées par les travaux de Cabanes (1928), Landsberg & Mandelstam (1928), Rocard (1928), Raman & Krishnan (1929), et enfin ceux de Placzek (1934) avant que la théorie de « l’effet Raman » ne sombre dans un sommeil latent …

Ce ne fut que grâce au développement du laser (Schawlow & Townes, 1958, Mainman, 1960) que le principe Raman renaquit ayant ainsi acquis une source d'excitation idéale (très faible divergence, intensité élevée, monochromaticité, polarisation bien définie, etc.). Jusqu’alors, la source de lumière excitatrice exigeait des lampes très puissantes, le plus souvent au mercure munies de filtres isolant l’une des raies émises (Colthup et al. 1964 ; Encycl.Univ., 1995).

D’autres avancées technologiques participèrent au renouveau de la Spectroscopie Raman dans les années 1950-60 : les détecteurs à plaques photographiques, les spectrographes à prismes, les photomultiplicateurs (cellules photoélectriques à multiplicateurs d’électrons par émission secondaire), les filtres holographiques à haute résolution, les détecteurs CCD, ou encore les micro-ordinateurs...

Peu de temps après, Delahaye & Migeon (1966), Delahaye & Dhamelincourt (1975) puis Dhamelincourt et Bisson (1977) mirent au point le principe de la MICROscopie Raman en réduisant considérablement le point d'impact, inférieur au micromètre indépendamment de l'intensité du signal Raman.

De nos jours, outre les applications médicales (ex : Kline & Treado, 1997; Shim & Wilson, 1997; Wentrup-Byrne et al., 1997), biochimiques (ex : Wynn-Williams & Edwards, 1999 ; Newton et al., 1999), extra-terrestres (ex : Hill et al., 1999 ; Edwards et al., 1999) ou industrielles (ex : de-Wall et al., 2000 ; Agnely et al., 2000 ; ISA, 1984), la MR trouve de plus en plus de nouvelles applications fructueuses dans l'analyse physico-chimique non-destructive de géomatériaux (Smith, 1987) ou biomatériaux provenant d'objets de valeur d'intérêt artistique ou archéologique. On peut citer les bijoux, les roches, les céramiques, les vitraux, les métaux corrodés, les résines, les tissus (ex : Pinet et al., 1992; Colomban, 2001 ; Colomban & Trepoz, 2001 ; Colomban et al., 2001 ; Brody et al., 1998 ; Fry et al., 1998 ; Smith & Edwards, 1998; Bouchard & Smith, 2000c et Smith & Bouchard, 2000 -issus du présent mémoire-), ou encore les pigments, qu'ils soient inorganiques (ex : Delhaye et al., 1985; Guineau, 1987, 1991; Best et al., 1992, Bell et al., 1997; Bussotti et al., 1995; Rull & Alvarez, 1998; Smith & Barbet, 1999; Withnall, 1998, 1999) ou organiques (ex : Coupry et al., 2000) qu'ils soient préhistoriques (Bouchard, 1998; Smith et al., 1999a -issus du présent mémoire-; Edwards et al., 1999a), historiques (ex : Vandenabeele & Moens, 1999 ; Smith & Barbet, 1999; Smith, 2000) ou contemporaines (ex : Vandenabeele et al., 2001). Il existe par exemple un domaine bien marqué de la MR qui est réservé aux gemmes (ex : Dhamelincourt & Schubnel, 1977; Dele et al., 1978 ; Pinet et al., 1992) : la MR permet d'identifier les origines naturelles (géologique aussi bien que géographique) ou artificielles des gemmes grâces aux micro-inclusions et devient ainsi une technique de prédilèction pour l’étude de ce genre de matériaux.

Avantages et limites de la Microscopie Raman                                     

Les avantages de la MR sont nombreux, mais cette technique présente aussi quelques limites :

Avantages :

Cette méthode est tout d’abord non destructive -elle conserve l’objet ou l’œuvre étudié-. On peut même faire des analyses in situ; elle ne nécessite a priori aucune préparation avant analyse (polissage, pastillage, montage, etc.), elle est donc idéale pour l’étude de tout objet de valeur, tels que les objets archéologiques.

Elle ne nécessite qu’un infime volume d’échantillon. Contrairement à la spectrométrie Infra-Rouge (IR) qui demande quelques dizaines de milligrammes, la MR ne nécessite qu’un volume de quelques microns cube ou même un seul microcristal.

Elle permet l’étude de milieux non cristallisés tels que le verre, les liquides, les gaz ou toute autre matière organique (ex : charbon de bois, résine).

Elle trouve une application dans le domaine des Arts : il s’agit de la capacité à identifier un produit à travers une vitre ou une quelconque protection transparente (Smith & Rondeau, 2000). Ceci permet d'éviter de manipuler l'objet à étudier ou de le sortir de sa vitrine ou de sa protection (ex : pour les peintures ou les pastels). Un objectif « longue focale » est alors nécessaire pour effectuer l'analyse.

Autre avantage -et non des moindres-, la MR permet d'identifier les différentes sortes de polymorphes [1] d’une même espèce minéralogique (ex : l’aragonite et la calcite, le quartz et la cristobalite, la goethite et la lépidocrocite). Elle devient alors un outil complémentaire essentiel pour toute étude optique par microscope. Cet avantage est d'autant plus important que la nature de certains polymorphes renseigne précieusement sur les conditions thermodynamiques de leurs formations (température, pression, etc.). On peut citer l’exemple soulevé par G. Turrell (1996) concernant le minéral de formule Al₂SiO₅ dont il est plutôt aisé de distinguer et de reconnaître les trois espèces polymorphes (sillimanite, andalusite et disthène) par une étude optique (dans certains cas la Spectrométrie Raman reste nécessaire), alors que dans le cas de TiO₂, il serait plus difficile de distinguer les différents polymorphes (brookite, rutile et anatase) uniquement par la méthode optique, leurs spectres Raman étant par contre très différents. Notons également que, à l’instar de la DX et à l'inverse à l’analyse élémentaire, la MR permet d’identifier simultanément la structure physique du matériau analysé ainsi que sa composition chimique élémentaire.

Enfin, la miniaturisation des instruments est aussi un avantage majeur qui permet d’effectuer des analyses in situ grâce à des sondes portables ou transportables (voir ce chapitre, II.2).

Limites :

Plus le minéral est coloré ou de structure complexe, plus l’acquisition est longue     -quelquefois plusieurs dizaines de minutes-. Ceci est dû à une très forte absorption des rayons laser par les minéraux opaques. Aussi, est-il quelquefois conseillé d’utiliser un rayonnement laser de couleur proche de celle de l’échantillon, afin de réduire l’absorption; ex : un laser vert à ion argon pour les cristaux verts et un laser rouge à néon pour les cristaux rouges (cette « astuce » permet également d’augmenter l’intensité du signal Raman par un effet de résonance ou de pré-résonance, voir ce chapitre, II.1.3).

Les éléments analysés doivent également rester stables sous l’effet d’un échauffement local possible, conséquence directe du phénomène dont il a été question dans le point précédent. Selon Merlin (1990), une focalisation sur une surface de 1 µm² correspond à une densité d’énergie de 1 mégaWatt/cm². La solution à ce problème passe par une réduction de l’intensité du laser excitateur ou par une défocalisation du point d’impact.

La fluorescence, phénomène fréquent dans de nombreuses méthodes spectroscopiques, l’est également en MR. Elle constitue un inconvénient majeur dans l’étude de certains produits organiques et plus rarement dans le cas de certains produits minéraux (voir ci-dessous, II.1.3, la fluorescence).

Enfin, certaines phases régies par des règles de symétries bien précises, ne peuvent donner de spectre Raman. Ces phases, tels que NaCl ou tels que certains métaux (Au, Cu ...) sont identifiées par les règles physiques de la théorie des groupes décrites ci-dessous.

Théorie et mécanismes                                                                            

La MR est basée sur le phénomène des vibrations des liaisons entre les atomes, et plus particulièrement sur la réponse de ces liaisons à une excitation lumineuse. La MR fournit alors un spectre unique caractéristique à chaque matériau.

Ces vibrations, identifiées par les différents décalages de fréquence de la lumière visible, ultraviolette ou infrarouge diffusée par l’échantillon, dépendent de la cristallochimie du minéral et elles peuvent nous renseigner sur (Dhamelincourt et Bisson, 1977; Pinet et al., 1992) :

Ø      la nature du cristal (à la fois sa structure et sa composition chimique) ;

Ø      l’état de cristallinité d’un minéral ;

Ø      son degré d’ordre.

Le principe de l’identification d'un spectre obtenu consiste alors à comparer l’empreinte spectrale d'un matériau inconnu à celle d’échantillons « étalons », à condition bien sûr, de disposer d'une base de données suffisamment étoffée (Smith & Edwards, 1998).

Principe

La lumière est réfléchie par la surface de particules dont l’orientation aléatoire provoque une distribution de l’intensité lumineuse dans toutes les directions de l’espace

(Bouguer, P., Traité sur la gradation de la lumière, Paris , 1760).

Le principe physique de cette méthode repose sur les différentes manières dont la lumière est renvoyée lorsqu’elle arrive sur la surface de l’objet (autrement dit, une couche d’atomes).

Ø      une partie de cette lumière est réfléchie par la première couche d’atome ;

Ø      une seconde est transmise dans les cristaux isotropes ou anisotropes selon des règles d’optique ;

Ø      une troisième est absorbée et transformée en chaleur,

Ø      et enfin une quatrième est diffusée dans toutes les directions de l’espace.

Les différents phénomènes de réflexion, transmission, absorption et diffusion de la lumière.

Pour toute liaison entre les atomes d’une molécule ou d’un cristal vibrant à une fréquence n_v, on peut faire correspondre une valeur particulière de l’énergie de la molécule. On représente ces valeurs par E₀, E₁, E₂, E₃, etc. L’écart entre ces niveaux d’énergie est noté DE et on note :

DE = E₁- E₀ = hn_v = hc_v

On préfère alors aux fréquences de vibrations moléculaires de l’ordre de ~10¹² ou 10¹³ Hertz, une graduation de l’échelle horizontale en « nombre d’onde », fonction reliée à la fréquence et à la longueur d’onde par une relation suivante :

avec h = constante de Planck, c = vitesse de la lumière, n = fréquence,  = nombre d’onde et l= longueur d’onde.

Ainsi, le nombre d’onde est l’inverse de la longueur d’onde (cm) et s’exprime en cm^-1. Précisons également que le zéro de l’échelle des nombres d’ondes relatifs coïncide avec la radiation excitatrice (autrement dit, c’est la bande Rayleigh -le rayonnement excitateur- sur le spectre Raman qui sera à la position « 0 cm^-1 » de nombre d’onde relatif).

D’autre part, grâce à la loi de distribution de Boltzmann, on peut calculer pour un système à l’équilibre le nombre de molécules possédant à chaque instant les énergies E₀, E₁, E₂, E₃, etc. On note ce nombre N_E0, NE1, NE2, etc., il correspond alors aux populations des différents niveaux d’énergie. Le rapport de ces nombres entre deux niveaux successifs s’exprime par l’ équation d’Arrhénius :

k = constante de Boltzmann, T = température absolue.

Cela revient à dire que le niveau inférieur est le plus peuplé et que sa population décroît exponentiellement, en fonction de l’énergie du niveau considéré.

L’énergie transportée par un quantum ou « photon » de lumière excitatrice est égale à hn₀ . Une grande partie de la lumière diffusée qui sort de l’échantillon a la même longueur d’onde que la lumière excitatrice : c’est la diffusion Rayleigh ou élastique.

Cependant, une infime partie (10^-9 à 10^-12 fois)[2] est diffusée avec une longueur d’onde différente de la longueur d’onde excitatrice (hn₀) ; ce sont les diffusions RAMAN et Brillouin ou encore inélastiques.

 Remarque : L'effet Raman résulte de l'interaction des ondes électromagnétiques avec les modes vibrationnels ou rotationnels des liaisons des atomes d'une molécule, alors que l'effet Brillouin est quant à lui basé sur l'interaction de ces ondes avec les modes translationels des liaisons de ces atomes.

Ainsi, comme le montre la figure ci-dessous :

si l’électron, excité par la longueur d’onde incidente -hn₀- retombe dans le même niveau d’énergie de départ E_0, (il réémet alors des photons à la même longueur d’onde hn₁= hn₀), il s’agit de diffusion Rayleigh dont il a été question ci-dessus.

si l’électron, excité par la longueur d’onde incidente retombe dans un niveau d’énergie supérieur au niveau de départ (il émet alors une longueur d’onde plus courte que la longueur d’onde incidente), on parle de diffusion Raman Stokes (E₁<E₀ et DE est négative).

Enfin, si l’électron, excité par la longueur d’onde incidente retombe dans un niveau inférieur d’énergie, émettant une longueur d’onde plus grande, on parle alors de diffusion Raman anti-Stokes (E₁>E₀ et DE est positive).

Position des bandes Raman correspondantes respectivement aux transitions : Raman anti-Stokes, Rayleigh et Raman Stokes ainsi que les niveaux énergétiques relatifs à chacune de ces transitions.

La probabilité d’observation de transitions anti-Stokes, partant de niveaux moins peuplés, est plus faible que celle qui est observée pour les transitions Stokes ; de plus, elle décroît exponentiellement en fonction de l’énergie du niveau de départ. Cette constatation, couplée à la symétrie qui existe entre les vibrations Stokes et anti-Stokes par rapport aux vibrations Rayleigh, conduit à choisir les vibrations Stokes pour l’étude Raman classique. Même si la grande majorité des chercheurs adoptent les vibrations Stokes avec un signe positif de nombre d’onde (comme sur le schéma ci-dessus), il peut arriver que certaines présentations inversent les deux vibrations, de sorte que les vibrations Stokes apparaissent en dessous de la bande excitatrice (ex : Ferraro & Nakamoto, 1994).

Intensités comparées des bandes Raman anti-Stokes et Raman Stokes. La bande Rayleigh au ‘0 cm^-1 (relatif)’ se trouve en réalité à 19455,25 cm^-1 (absolu) pour une radiation excitatrice verte (514,5 nm ; Ar⁺).

Schéma théorique représentatif des bandes Rayleigh, Raman anti-Stokes et Raman Stockes dans une molécule diatomique : sous la forme liquide (a) et sous la forme gazeuse (b). Dans ce dernier spectre on voit nettement les bandes correspondantes aux vibrations rotationnels de part et d’autre des trois principaux pics.

En général, la plupart des spectres Raman des minéraux présentent des bandes situées entre 100 cm^-1 (et ceci afin que le signal Raman ne soit pas perturbé par la bande Rayleigh très intense) et 1600 cm^-1, ainsi que des bandes situées dans des zones spécifiques à certaines vibrations de la molécule (ex : 3450-3750 cm^-1 pour les liaisons O—H).

Spectres vibrationnels, règles de sélection

(Encycl.Univ., 1995)

Une molécule à N atomes peut être traitée comme un système mécanique à 3 N degrés de liberté, parmi lesquels on compte trois translations d’ensemble, trois rotations (ou deux rotations seulement pour une molécule linéaire). Les 3 N - 6 (ou 3 N - 5) mouvements restants rendent compte des déformations internes à la molécule, qui correspondent aux vibrations moléculaires.

Le traitement classique des vibrations d’une molécule polyatomique consiste à résoudre un système d’équations de Lagrange, dans lesquelles interviennent les énergies cinétique et potentielle. Dans l’hypothèse harmonique, le mouvement peut se résoudre en un ensemble de « modes normaux », auxquels sont associées des « coordonnées normales ». Pour chacun d’eux, tous les atomes vibrent en phase à la même fréquence, mais avec des amplitudes différentes. L’analyse des 3 N - 6 vibrations d’une molécule à grand nombre d’atomes ne peut être menée qu’en mettant en œuvre les moyens de calcul puissants disponibles de nos jours. Cependant, une analyse simplifiée, ne mettant en jeu que les propriétés de symétrie d’un édifice polyatomique, peut suffire si l’on se contente de dénombrer les modes vibrationnels et de déterminer leur activité en absorption infrarouge ou en diffusion Raman.

Cette activité, qui détermine la possibilité d’observation d’un mode vibrationnel donné, soit par absorption, soit par diffusion lors de l’interaction avec un rayonnement, peut être corrélée à des « règles de sélection ». Ces dernières gouvernent les possibilités de couplage de l’onde électromagnétique avec le mouvement moléculaire, lorsque celui-ci s’accompagne d’une variation des propriétés liées à la polarisation électrique de la molécule : moment dipolaire  et polarisabilité moléculaire a.

Moment dipolaire : Le moment dipolaire  est une propriété vectorielle. Lorsque le barycentre des charges positives (noyaux atomiques) ne coïncide pas avec celui des charges négatives (électrons), la molécule est assimilable à un dipôle électrique formé de deux charges ponctuelles + q et -q situées à une distance  :

Polarisabilité moléculaire : La polarisabilité moléculaire traduit, quant à elle, la faculté de déformation du nuage de charges électriques sous l’influence d’un champ électrique uniforme, et se définit par :

où  est le moment électrique induit et le vecteur champ électrique. La direction du moment induit ne coïncide pas, en général, avec celle du champ, et la valeur de a varie selon l’orientation de la molécule.

En fait, a n’est pas, comme pourrait le laisser penser la formule ci-dessus, un simple coefficient de proportionnalité, mais correspond à un tenseur de rang 2 représenté par une matrice d’ordre 3 symétrique. Chaque composante du champ E₀ peut induire une déformation du nuage électronique, donc un moment induit dans les trois directions de l’espace (Felidj et al., 1998) :

     P_x                  a_xx     a_xy     a_xz                E_x

     P_y      =         a_yx     a_yy     a_yz                E_y

     P_z                  a_zx     a_zy     a_zz                E_z

On pourra trouver, en partie, les développements du « traitement classique » de l’effet Raman dans la publication de Felidj et al., (1998).

Les règles de sélection peuvent se résumer de la manière suivante :

Une vibration de coordonnée normale Q peut donner lieu à une absorption Infrarouge, si elle modifie l’une des composantes du moment dipolaire , c’est-à-dire si la dérivée (bmi /bQ)₀ n’est pas nulle au voisinage de la position d’équilibre.

Une vibration de coordonnée normale Q est active en diffusion Raman, si elle fait varier une des composantes aij de la polarisabilité, c’est-à-dire si la dérivée (baij /bQ)₀ n’est pas nulle.

Symétrie des molécules et tables de caractères

Si les variations du moment électrique et de la polarisabilité paraissent intuitivement accessibles pour des molécules di- ou triatomiques, il n’en est pas de même pour des édifices polyatomiques à grand nombre d’atomes.

Une méthode très élégante permet de tourner cette difficulté, en se fondant uniquement sur les propriétés de symétrie des molécules, et en faisant appel à des résultats connus de la théorie des groupes. Toutes les propriétés utiles à la prévision des spectres vibrationnels sont contenues dans la table de caractères du groupe. Les 3 N mouvements de la molécule, translations, rotations et modes normaux de vibration, se rangent dans cette table en fonction de leurs propriétés de symétrie, ainsi que les 3 composantes du vecteur moment dipolaire et les 6 du tenseur de polarisabilité.

L’analyse vibrationnelle, c’est-à-dire le dénombrement et l’activité des modes de vibration en Raman ou Infrarouge, s’effectue à partir de ces tables par un calcul très simple où intervient le nombre d’atomes inchangés au cours d’une opération de symétrie.

Voici certaines règles simples qui concernent les modes actifs et inactifs en Raman et IR :

Ø      Certains modes de vibration peuvent être inactifs à la fois en diffusion Raman et en absorption Infrarouge.

Ø      Si la molécule possède un centre de symétrie, il n’existe aucune vibration commune aux spectres Raman et infrarouge : celles qui sont symétriques par rapport à ce centre (g, de l’allemand gerade ) sont actives en Raman et inactives en infrarouge. Les vibrations antisymétriques par rapport à ce centre (u, de l’allemand ungerade) sont au contraire actives dans le domaine de l’infrarouge et inactives en Raman (règle de mutuelle exclusion). La présence simultanée de certains modes, à la fois dans les spectres Raman et Infrarouge, indique de façon certaine l’absence de centre de symétrie.

Ø      La présence d’au moins un axe de symétrie d’ordre supérieur à deux se traduit par l’apparition de modes dégénérés, donc confondus à une même fréquence. Le nombre apparent de bandes ou de raies peut ainsi devenir inférieur aux 3N-6 prévus. C’est le cas classique, par exemple, des édifices tétraédriques, comme CCl₄, qui ne présentent que 4 bandes au lieu de 9.

Ø      Les vibrations symétriques sont toutes actives en Raman et se traduisent par des raies intenses et polarisées (par exemple, pulsation symétrique du benzène et des cycles aromatiques). Les vibrations non totalement symétriques ou dégénérées donnent des raies dépolarisées.

En plus des modes fondamentaux prévus dans l’hypothèse harmonique, des bandes correspondant à des «harmoniques » ou à des « combinaisons » de modes apparaissent aussi dans les spectres expérimentaux. Ces bandes s’interprètent par des transitions entre niveaux non consécutifs dans le diagramme énergétique. Leur intensité est souvent beaucoup plus faible dans le spectre Raman que dans l’Infrarouge.

Exemples partiels des molécules de N₂ et de CO₂.

Spectre Raman de résonance

Lorsque la radiation excitatrice est proche d’une bande d’absorption électronique de la molécule, on observe une exaltation de l’intensité de certaines raies du spectre Raman. Cette exaltation s’interprète par un effet de résonance. En théorie, il faut distinguer la résonance exacte, dans laquelle l’excitation coïncide avec le maximum d’absorption, de la pré-résonance, plus fréquemment observée, puisqu’il suffit de s’approcher des bandes électroniques du chromophore moléculaire (c’est-à-dire du groupe d’atomes qui, dans la molécule, est à l’origine de sa « couleur ») pour que l’exaltation se produise.

L’accroissement de l’intensité, qui peut atteindre des valeurs très élevées (10⁶ dans des cas favorables), résulte d’un couplage des transitions vibrationnelles et électroniques ; les raies exaltées correspondent à la structure vibrationnelle de la bande d’absorption électronique mise en jeu. Le phénomène peut cependant se compliquer car l’interaction vibrationnelle peut concerner non plus un seul niveau électronique excité, mais aussi le couplage vibronique de deux états électroniques excités. L’état de polarisation des spectres de résonance peut être très différent de ce qui est observé en diffusion Raman ordinaire, si bien que les mesures de polarisation apportent des données très utiles à l’interprétation des spectres.

En pratique, les effets de résonance sont mis à profit, grâce à un choix judicieux de la radiation excitatrice, pour exalter sélectivement le spectre de vibration de certaines molécules (dans un mélange complexe ou une solution diluée), d’un groupement d’atomes impliqué dans un chromophore porté par une macromolécule.

Cet effet sera particulièrement mis à profit dans les différentes études menées dans ce mémoire, la plupart des espèces minérales analysées étant fortement colorées et donc fortement susceptibles d’entrer en résonance avec la radiation excitatrice utilisée.

Les bandes Raman                                                                                                             

S’il arrive qu'il faille décomposer le spectre Raman en détail pour identifier l’espèce étudiée, souvent, il suffit d'une simple comparaison avec un autre spectre de référence pour identifier l’espèce en question.

Les propriétés des bandes Raman sont très différentes selon l'état physique et le degré de cristallinité du matériau étudié. Ainsi, le verre amorphe donnera des bandes larges (« des bosses ») alors que les minéraux bien cristallisés donneront de très fines bandes. L'épaisseur de ces bandes est principalement due à l'anharmonicitée des vibrations moléculaires. En outre, que le matériau soit gazeux, liquide ou solide, l'allure du spectre dépendra des conditions d'analyse (température, pression ...). Dans l’état cristallin, les effets thermodynamiques (comme une élévation de température) viennent s'ajouter à des effets de structure (impuretés, sites vacants, imperfections de la maille cristalline, états amorphes ...) et influent de la sorte sur la largeur des bandes Raman.

On ne traite dans ce mémoire que de matériaux se trouvant dans un état solide/cristallin, amorphe ou vitreux ; nous ne développons donc pas les caractéristiques propres à l’état liquide et gazeux, points déjà largement détaillés dans d’autres ouvrages tels que Ferraro & Nakamoto (1994) ou Turrell & Corset (1996).

Enfin, l’opération consistant à lisser[3] les spectres Raman « bruts » n’est pas acceptée par tous les spécialistes ; en effet, le bruit de fond observable sur un spectre est difficilement éliminable sans nuire aux pics réellement caractéristiques de l’échantillon. Dans notre cas, un lissage partiel et une légère correction de la ligne de base ont été effectués sur les spectres qui en présentaient vraiment la nécessité.

d'une goethite. (1) brut, (2) après traitement informatique adapté.

Intensités relatives ou absolues

Un point délicat de la Microscopie Raman, lié à l’intensité des signaux, doit encore être soulevé : il s’agit de l’orientation des cristaux.

En effet, selon cette orientation, l’intensité (et non la longueur d’onde) peut varier (on retrouve de la même façon ce problème avec d’autres méthodes telles que la diffraction-X). Il est donc souhaitable de mesurer les cristaux sous un minimum de deux orientations (axe cristallographique, plan de clivage, axe optique, etc.) (Smith, 1996).

Un autre point primordial lié à l’intensité absolue des bandes Raman est l’angle solide de collecte de la lumière diffusée, autrement dit, l’intensité collectée (Ω), fonction de l’ouverture numérique de l’objectif (ON) (Univ. du Maine, 2000) ;

Cette variable est notée :                 Ω = 2p[1- cos(a)]

L’ouverture numérique et l’angle de collecte (a) sont généralement fournis par le fabricant. Le tableau suivant montre la surface analysée en fonction de la valeur de a (selon Univ. du Maine, 2000).

La fluorescence, parasites et phénomènes connexes

La fluorescence représente un des problèmes majeurs de la MR : en effet, une fois excitée par le laser, cette fluorescence masque le signal Raman du produit. Elle serait, d’après Wopenka (1990), plus importante dans les minéraux contenant du fer, mais il est vrai que la fluorescence est en réalité un phénomène beaucoup plus courant sur les matériaux organiques (Pasteris, 1988).

Le problème de la fluorescence est particulièrement prononcé dans ce domaine précis où les matières organiques « cohabitent » souvent avec les matières minérales, comme c’est le cas pour de nombreux pigments. Il arrive donc fréquemment que le signal Raman soit quelque peu, voire totalement, masqué par la fluorescence.

Ce fait trouve une explication dans la durée respective de ces deux phénomènes (Turell & Corset, 1996). Dans le cas de l’effet Raman, la durée de désexcitation des électrons est inférieure à quelques picosecondes (10^-12s) (voir figure 5), alors que dans le cas de la fluorescence ou de la phosphorescence, l’effet atteint en moyenne les 10^-9 secondes, temps suffisamment long pour masquer totalement ou en partie l’effet Raman.

Mécanisme de différents modes d’émission : (a) Rayleigh, (b) non-résonance Raman, (c) pré-résonance Raman, (d) résonance Raman et (e) résonance fluorescence ; selon Turrell & Corset (1996).

Il existe certaines règles ou astuces qui permettent de réduire ou d’éliminer la fluorescence d’un échantillon. La plus simple, mais quelquefois négligée, quand il s’agit d’un échantillon hétérogène (ex : des prélèvement de pigments de peinture) est de choisir, grâce au microscope, une autre zone d’analyse ne présentant pas de défauts de fluorescence. Il est en effet courant que dans un même échantillon, selon la taille des cristaux par exemple, les différents grains ne « fluorescent » pas de la même manière.

Dans certains cas, la fluorescence peut même être réduite en prolongeant l'exposition sous le laser à très faible puissance, afin de ne pas endommager l'échantillon, l’intensité des bandes Raman restant constante. Cette expérience a été réalisée sur certains échantillons particulièrement fluorescents (figure ci-dessous).

Spectre Raman du gypse identifié sur un vitrail du XVII-XVIII^ème siècle. La fluorescence peut être réduite par une prolongation de l’exposition (temps en sec.) de l’échantillon sous le laser -de haut en bas, DGVI 3 à 10-

Une autre solution est d'utiliser une source lumineuse de plus faible énergie (de type « proche Infra-rouge » (NIR) à 1064 nm) qui ne pourra pas provoquer les transitions d'électrons responsables de la fluorescence. Cependant, pour compenser la faible réponse du signal (18 fois moindre), il est alors nécessaire d'utiliser une méthode de transformation de Fourier (Chase, 1987).

De nombreuses autres méthodes, plus ou moins efficaces, tentent de combattre la fluorescence. On peut citer un dernier exemple (le plus efficace, mais aussi le plus onéreux) qui consiste à déterminer le temps nécessaire à l'obtention d'une réponse Raman, souvent instantanée, par rapport au temps nécessaire à une réponse de la fluorescence électronique, souvent beaucoup plus long (Kamogawa, 1988 ; Sharma, 1989). Il ne reste plus par la suite qu’à fixer la durée de l’excitation par le laser (laser à impulsion -de l’ordre de la nanoseconde-) ainsi que celle de l’acquisition correspondante.

Le rayonnement émis par les lasers à gaz est un autre type de problème auquel nous avons dû faire face. Ce rayonnement, qui n’est pas strictement monochromatique, provoque l’émission de raies additionnelles dites ‘plasma’ qui peuvent fausser les résultats si elles ne sont pas éliminées. Une technique couramment usitée consiste à utiliser un filtre ‘interférentiel’ spécifique à chaque longueur d’onde excitatrice qui permet de filtrer ces raies plasma avant que le laser ne pénètre dans le microscope.

Spectre Raman des raies plasma du laser vert à ions Ar⁺ (acquisition sans filtre interférentiel). Les bandes marquées d’un astérisque correspondent aux bandes de l’objectif du microscope (voir ci-dessous).

Il est cependant possible que certaines raies, notamment vers les petites longueurs d’ondes, (ex : l’intense raie à ~117 cm^-1) réussissent à passer à travers le filtre interférentiel et se retrouvent dans le spectre Raman du produit analysé.

D’autres phénomènes peuvent venir perturber les analyses ; il s’agit des différents éléments environnants qui peuvent, soit se superposer à l’excitation du laser (par exemple la lumière de la salle), soit encore, interférer avec le laser (ex : les couches de protection internes des objectifs du microscope -de type Olympus en l’occurrence-). Ce dernier phénomène se produit assez souvent, de sorte que toutes les bandes caractéristiques de cette couche ont été clairement identifiées afin qu’aucune n’interfère avec les bandes Raman réelles de l’échantillon analysé. Ces bandes sont principalement observées lors de l’utilisation d’intensités élevées comme c’est le cas lors de l’analyse des verres (intensité à la source ~ 1W) (voir spectre Raman 4).

Spectre Raman « brut » de la couche interne de l’objectif Olympus -BGPA04- Bandes à 844, 895 et 921 cm^-1 avec des intensités relatives toujours respectées.

Instrumentation

(Encycl.Univ., 1995).

La fenêtre spectrale la plus utilisée pour l’analyse de l’effet Raman se situe entre les absorptions électroniques (ultraviolet) et vibrationnelles (infrarouge). C’est précisément dans cette gamme de longueur d’onde que l’on dispose le plus facilement des différents matériaux optiques et électroniques de haute performance.

La figure 6 résume schématiquement le fonctionnement d’un spectromètre Raman. En voici énumérés les principaux organes :

La source laser, qui délivre, dans un faisceau de très faible divergence, une radiation monochromatique polarisée. Un filtrage soigné débarrasse ce faisceau des raies du plasma ou du fond continu de lumière incohérente provenant du dispositif de pompage optique du milieu actif.

Des optiques de transfert (miroirs, etc.) chargées de diriger la lumière excitatrice vers le microscope.

Le microscope, où l’on retrouve les différents objectifs chargés de l’illumination optimale de l’échantillon et de la collection la plus efficace possible de la lumière diffusée par effet Raman, ainsi que de son transfert vers l’entrée du spectromètre proprement dit. L’objet à analyser est posé sur le porte-échantillon du microscope.

Le spectromètre, qui effectue l’analyse spectrale du rayonnement et qui comporte généralement plusieurs étages de disperseurs à réseaux, de 2 à 4 disposés en cascade, de manière à accroître la pureté spectrale du système d’analyse.

Le spectromètre comporte soit un prémonochromateur, soit un filtre holographique qui élimine très efficacement les radiations réfléchies ou diffusées à la longueur d’onde du laser, suivi d’un spectrographe dispersif. Un autre type d’instrument, plus spécialement adapté à l’excitation dans le proche infrarouge à 1,06 µm, afin d’éviter la fluorescence, réalise l’analyse spectrale grâce à un interféromètre à transformée de Fourier couplé à un micro-ordinateur. L’avantage le plus évident du système multicanal réside dans la simultanéité des mesures de toutes les composantes spectrales. Toutes les informations, perdues au cours de l’opération de balayage dans un spectromètre monocanal, sont conservées et mises en mémoire grâce au système multicanal, ce qui améliore le rapport signal/bruit et permet de détecter des raies qui, antérieurement, n’émergeaient pas du bruit de fond. La simultanéité des mesures permet de s’affranchir des variations d’intensité de la source de lumière et même d’enregistrer des spectres Raman excités par des lasers en impulsions de durée très brève (de 10 nanosecondes à quelques dizaines de picosecondes).

Le photomultiplicateur qui traduit les photons en signal électrique.

Le détecteur photoélectrique : deux dispositions sont adoptées selon le type de détecteur photoélectrique employé. Dans les spectromètres du type « monocanal», utilisant un photodétecteur unique, l’analyse des différents éléments du spectre est effectuée séquentiellement, par rotation des axes des réseaux, de manière à faire défiler les différentes radiations focalisées dans le plan d’une fente qui isole une bande passante étroite. Dans une génération plus performante d’instruments appelés « spectromètres multicanaux », le détecteur photoélectrique est constitué d’une mosaïque du type CCD (charge coupled device) refroidie à basse température.

La dernière partie de l’instrument assure la mesure et le traitement des signaux électriques issus des détecteurs. Le développement des techniques numériques de traitement et la puissance des systèmes micro-informatiques disponibles ont permis d’accroître la qualité des mesures spectroscopiques et d’assurer, en même temps, la gestion des différentes fonctions du spectromètre.

Schéma synoptique du principe de la Microscopie Raman.

Afin de ne pas provoquer d’échauffement local et de ne pas brûler les échantillons photosensibles, il est de mise de commencer l’analyse avec une intensité lumineuse faible et de l'augmenter au fur et à mesure. On peut également maintenir une intensité faible et prolonger la durée d'analyse.

La Microscopie Raman in situ

Depuis peu, l’intérêt porté à la spectrométrie Raman par les archéologues, les industriels ou les scientifiques de tous bords a favorisé le développement de microsondes « mobiles » (MRM -Smith, 1999-) ou « transportables ».

Dans le premier cas, l’appareillage nécessite d’être porté par trois ou quatre personnes, dans le second, l’appareillage est plus miniaturisé et peut être porté par une seule personne. Il est même prévu (à moyen terme, ~2008) d’envoyer sur la planète Mars une Microsonde Raman de la taille d’une cannette de soda afin d’effectuer des analyses extraterrestres de la planète en question (exemple : Wang, 1996, 1998).

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[1] Se dit de minéraux de même formule chimique mais de structure minéralogique différente.

[2] Pour un gaz ou un liquide dit « optiquement vide » (c’est-à-dire dont les poussières ou les particules diffusantes ont été éliminées par des filtrations répétées) le rapport des intensités Stokes / Rayleigh est de l’ordre de 10^-3.

[3] Le lissage consiste principalement à éliminer les parasites (spikes) interférant avec les réelles bandes Raman.