La spectroscopie Raman est une technique spectroscopique vibrationnelle qui mesure la diffusion inélastique de la lumière monochromatique, généralement provenant d’un laser. Elle fournit des informations complémentaires à la spectroscopie infrarouge et est particulièrement utile pour l’analyse d’échantillons aqueux, de matériaux cristallins et de spécimens biologiques.
Principe de la Diffusion Raman
Lorsque la lumière monochromatique interagit avec une molécule, la plupart des photons subissent une diffusion Rayleigh (élastique, sans changement d’énergie), tandis qu’une petite fraction (environ 1 photon sur 10^7) subit une diffusion Raman (inélastique) avec un changement d’énergie. Dans la diffusion Raman Stokes, le photon diffusé a une énergie plus faible (longueur d’onde plus longue) que la lumière incidente, correspondant à l’excitation d’une vibration moléculaire. Dans la diffusion Raman Anti-Stokes, le photon diffusé a une énergie plus élevée (longueur d’onde plus courte), se produisant lorsque la molécule commence dans un état vibrationnel excité. Le déplacement Raman (cm-1) est la différence d’énergie entre la lumière incidente et diffusée, indépendante de la longueur d’onde du laser.
Spectroscopie Raman vs. Infrarouge
La Raman et l’IR sont des techniques complémentaires régies par des règles de sélection différentes. L’activité Raman nécessite un changement de polarisabilité pendant la vibration, tandis que l’activité IR nécessite un changement de moment dipolaire. Les vibrations symétriques (par exemple, l’étirement C=C dans les alcènes) sont généralement fortes en Raman mais faibles en IR, tandis que les vibrations asymétriques sont fortes en IR mais faibles en Raman. L’eau est un faible diffuseur Raman mais un fort absorbeur IR, ce qui rend la Raman idéale pour les solutions aqueuses et les échantillons biologiques. De plus, les spectres Raman ont moins d’interférence de fluorescence que l’IR lors de l’utilisation de lasers à plus longue longueur d’onde (785 nm, 1064 nm).
Instrumentation
Un spectromètre Raman comprend une source laser avec des longueurs d’onde courantes de 532 nm (vert), 633 nm (rouge), 785 nm (proche-IR) et 1064 nm (IR) ; les longueurs d’onde plus longues réduisent la fluorescence mais suivent la loi en puissance inverse quatrième, ce qui donne une intensité Raman plus faible. Le laser est focalisé sur l’échantillon à travers un objectif de microscope (micro-Raman) ou une lentille, permettant l’analyse de quantités de l’ordre du microgramme et une résolution spatiale jusqu’à 1 µm. Un spectrographe avec un réseau de diffraction sépare la lumière diffusée Raman par longueur d’onde, et des filtres notch ou coupe-bande éliminent l’intense raie Rayleigh. Les détecteurs à dispositif à transfert de charge (CCD) offrent une haute sensibilité pour la détection multicanal, tandis que la Raman à Transformée de Fourier (FT-Raman) utilise un interféromètre et un détecteur monocanal avec excitation à 1064 nm.
Techniques Raman Spéciales
Plusieurs techniques Raman avancées améliorent ses capacités. La Spectroscopie Raman Exaltée de Surface (SERS) utilise l’adsorption de molécules d’analyte sur des surfaces métalliques nobles rugueuses (Ag, Au) pour amplifier les signaux Raman de 10^6 à 10^10, permettant la détection de molécules uniques. La Spectroscopie Raman de Résonance (SRR) fait correspondre la longueur d’onde du laser à une bande d’absorption électronique de l’analyte, amplifiant des modes vibrationnels spécifiques de 10^3 à 10^5. La Microscopie Raman Confocale utilise un trou sténopéique pour rejeter la lumière hors foyer, permettant le profilage en profondeur et l’imagerie chimique tridimensionnelle d’échantillons hétérogènes. La Spectroscopie Raman Exaltée de Pointe (TERS) combine la microscopie à sonde à balayage avec la SERS pour l’imagerie chimique avec une résolution spatiale nanométrique.
Applications
La spectroscopie Raman est utilisée pour l’identification des pigments dans les artefacts artistiques et archéologiques par analyse non destructive, le criblage des polychromes pharmaceutiques et la détection de médicaments contrefaits, le diagnostic de maladies par l’empreinte spectrale Raman des tissus et biofluides, le contrôle qualité des semiconducteurs, polymères et matériaux carbonés (graphène, nanotubes de carbone), et l’imagerie biomédicale in vivo et l’endoscopie utilisant des sondes Raman à fibre optique.
