Quelle Longueur d’onde pour votre spectromètre Raman ?

La spectroscopie Raman dispersive est de plus en plus utilisée pour l’analyse d’échantillons. L’une des principales questions au moment de choisir le système Raman le plus approprié est de déterminer quelle est la longueur d’onde la plus adaptée pour le laser à intégrer dans l’équipement.

En raison de sa portabilité et facilité d’utilisation, la spectroscopie Raman dispersive est de plus en plus utilisée pour l’analyse d’échantillons, par exemple pour l’identification de matériaux (produits pharmaceutiques, produits toxiques ou dangereux, pierres précieuses …), la recherche biomédicale, l’art et l’archéologie  et bien d’autres applications …

L’une des principales questions au moment de choisir le système Raman le plus approprié est de déterminer quelle est la longueur d’onde la plus adaptée pour le laser à intégrer dans l’équipement.  Le signal Raman (la position spécifique des pics observés sur le spectre Raman d’un matériau) est uniquement dépendant de la structure chimique de ce matériau et est indépendant de la longueur d’onde d’excitation. La "signature spectrale" Raman ne changera donc pas en fonction du choix de la longueur d’onde du laser utilisé. Cependant, chaque longueur d’onde d’excitation présente des avantages et des inconvénients pour une application donnée et il est essentiel de bien choisir le laser le plus adapté au besoin pour optimiser la mesure.

Comment sélectionner la longueur d’onde la plus adaptée ? Il existe de nombreuses possibilités mais les plus couramment utilisées sont : 532 nm, 785 nm et 1064 nm. La longueur d’onde d’excitation la plus populaire est  785 nm car elle offre le meilleur compromis entre intensité du signal Raman, sensibilité à la fluorescence, coût et performance globale. De plus, elle permet de collecter rapidement un signal Raman sur la plupart des matériaux organiques. Pour certaines applications, une autre longueur d’onde peut être plus adaptée, comme par exemple 1064 nm pour des échantillons fortement fluorescents. Un aperçu des caractéristiques principales est résumé dans le tableau ci-dessous :

Longueur d’onde d’excitation

532 nm

785 nm

1064 nm

Efficacité de l’excitation

Haute

Moyenne

Basse

Fluorescence

Haute

Moyenne

Basse

Absorption (chauffage)

Basse

Moyenne

Haute

La différence la plus évidente est liée à l’efficacité d’excitation. Le signal de diffusion Raman est proportionnel à λ-4, où λ est la longueur d’onde du laser d’excitation. Par exemple, la diffusion (scattering) Raman à 532 nm est 4,7 fois plus importante qu’à 785 nm et 16 fois plus qu’à 1064 nm, ce qui signifie dans la pratique que le temps de mesure et d’intégration du signal varient d’autant, toute chose étant égale par ailleurs.

La sensibilité du détecteur est un autre élément important. La diffusion Stokes étant utilisée dans la plupart des équipements, une excitation à 532 nm donnera un signal Raman dans les longueurs d’ondes immédiatement supérieures, c’est-à-dire dans le visible où la réponse des détecteurs CCD à base de Silicium est optimale. De la même façon, une excitation à  785 nm donnera un signal dans le proche Infrarouge (785-1050 nm) où la réponse du Silicium reste assez bonne. Cependant, pour une excitation à1064 nm, le Silicium n’ayant pas de réponse au-dessus de 1100 nm, l’utilisation d’un détecteur sensible dans le proche Infrarouge, généralement une barrette InGaAs, sera nécessaire pour des instruments dispersifs. De plus, afin de limiter les coûts, les barrettes InGaAs utilisées comportent généralement 512 pixels (vs. 2048 pour la plupart des systèmes à base de détecteur Silicium) ce qui conduit à une résolution spectrale plus faible et/ou une gamme de mesure plus réduite en termes de décalage Raman.

Un autre aspect à prendre en compte est l’interférence du signal de fluorescence avec le signal Raman, et cet aspect est souvent primordial quand l’efficacité d’excitation est importante. La fluorescence est produite par un mécanisme semblable à la diffusion Raman mais est basée sur des effets de photoluminescence.  Les pics Raman sont à une distance constante de la longueur d’onde d’excitation alors que la fluorescence se produit à une longueur d’onde donnée et donc indépendante de la longueur d’onde d’excitation. De plus, l’effet de « blanchiment » (bleaching) de la fluorescence conduit à une baisse de la fluorescence avec le temps. Une longueur d’onde d’excitation élevée sera donc privilégiée pour réduire la fluorescence qui peut être très forte par exemple sur des échantillons sombres, des colorants, ou des produits naturels.

L’absorption de l’énergie laser par l’échantillon doit aussi être prise en compte car elle conduit à un échauffement du matériau étudié susceptible de changer ses propriétés. De manière générale, plus la longueur d’onde d’excitation est élevée, plus l’absorption augmente et donc l’échauffement. Dans les cas extrêmes, un échantillon liquide de faible volume peut bouillir alors qu’un échantillon sombre ou très coloré peut être endommagé. Les dommages sur l’échantillon liés à l’absorption de l’énergie laser peuvent être évités ou minimisés en baissant la puissance du laser ou en tournant l’échantillon, mais cela ajoute de la complexité et/ou rallonge le temps de mesure. Bien que la spectroscopie Raman soit par essence non destructrice, il est donc possible de générer des dommages si les paramètres d’utilisation ne sont pas les bons.

D’autres effets, tels que la résonance Raman, doivent être pris en considération pour choisir la longueur d’onde d’excitation. Ci-dessous quelques exemples de spectres Raman mettant en évidence les différences de performance suivant la longueur d’onde utilisée. Il est à noter que beaucoup de matériaux peuvent être utilisés sans difficultés avec l’une ou l’autre des longueurs d’ondes d’excitation. Dans un des exemples ci-dessous, on montre que le Toluène peut être mesuré avec chacune des 3 longueurs d’ondes mentionnées dans cette note.

 

Nanotubes de carbone : spectre Raman collecté avec une excitation à 532nm.

Une excitation à 532 nm donne une bonne sensibilité et est couramment utilisée pour l’analyse de nanotubes de carbone, qui peuvent brûler à 785 nm. Il est toujours possible d’utiliser une longueur d’onde plus élevée en baissant la puissance laser mais cela dégradera le rapport signal sur bruit. Une excitation à 532 nm excitation est aussi recommandée pour les oxydes métalliques, les minéraux ou les matériaux inorganiques de manière générale. Les instruments à 532 nm bénéficient aussi d’une couverture très étendue en décalage spectral (65cm-1 à 4000cm-1), ce qui peut être important pour les applications nécessitant des mesures dans les grands décalages.
(Par exemple les groupes fonctionnels –NH et –OH qui présentent un signal caractéristique entre 2800 et 3700 cm-1.)

Héroïne : spectres Raman collectés avec une excitation à 785nm et 1064nm.


L’excitation à 785 nm reste la plus courante et fonctionne très bien avec 90% des matériaux offrant une signature Raman, tout en limitant les effets de la fluorescence. En fonction de l’échantillon et de sa signature Raman, une mesure complète peut généralement être effectuée en un seul balayage (scan) d’une durée allant de la seconde à plusieurs minutes. Des 3 longueurs d’ondes courantes, 785 nm est celle qui présente le meilleur compromis signal / fluorescence / résolution spectrale et la gamme d’applications la plus large.

A gauche les spectres Raman d’héroïne comparés entre une mesure avec une excitation à 785 nm et une excitation à 1064 nm. La mesure à 785 nm montre plus de détails en raison de la meilleure résolution et d’une étendue de mesure plus importante, mais elle présente aussi une ligne de base (liée à la fluorescence) plus élevée. Le temps d’intégration à 785 nm (environ 10 s) est beaucoup plus court qu’à 1064 nm (plusieurs dizaines de seconde) mais 1064 nm est souvent retenu pour cette application pour minimiser la fluorescence.

Huile de sésame : vert: 532nm, rouge: 785nm, noir: 1064nm.

Les mesures ci-dessus concernent de l’huile de graine de sésame, un liquide sombre qui peut être mesuré à 1064 nm alors que la fluorescence masque le signal Raman lorsque l’excitation se fait à 532 ou 785 nm.

Cellulose : rouge: 532nm, bleu: 785nm, vert: 1064nm.

La fluorescence de la cellulose noie le signal Raman à 532 nm mais des mesures à 785 nm ou 1064 nm peuvent tout à fait être faites, avec une contribution de la fluorescence fortement diminuée pour les mesures à 1064 nm.

En résumé :

  • Un laser à 532 nm fournit l’énergie la plus importante pour « bombarder » la structure de l’échantillon ce qui conduit à plus de signal Raman mais aussi plus de fluorescence, cette longueur d’onde est donc plutôt adaptée aux matériaux inorganiques.
  • Un laser à 785 nm donne un signal Raman un peu plus faible mais aussi une fluorescence fortement réduite,  et constitue le meilleur compromis technologique et économique pour la plupart des composés chimiques.
  • Un laser à 1064 nm donnera la fluorescence la plus faible mais nécessitera aussi un temps d’intégration plus important pour générer assez de signal Raman, avec le risque d’un échauffement de l’échantillon en l’absence de précautions. C’est le choix préférentiel pour les matériaux fortement colorés ou sombres tels que les produits naturels, colorants, huiles ou polymères colorés.

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