Spectroscopie et spectrométrie Raman

La spectrométrie Raman est une technique en pleine évolution, nous allons décrire son principe avec un focus sur les technologies de la spectroscopie Raman et les différentes possibilités en termes d’analyse à travers des exemples récents.

Spectroscopie vibrationnelle exaltée : Raman résonnant et SERS

Les spectroscopies d’absorption infrarouge et de diffusion Raman, très riches en informations physico-chimiques, souffrent cependant d’une faible sensibilité. En effet, il est difficile par des moyens d’optique classique d’aller sonder en solution ou de caractériser des nano-objets dilués. Il existe cependant plusieurs stratégies pour contourner ce problème en spectroscopie de diffusion Raman et ce chapitre propose de décrire brièvement et de manière non exhaustive ces principales possibilités. Nous présenterons dans la première partie les moyens pour augmenter les sections efficaces de diffusion des systèmes à étudier et dans une deuxième partie les moyens pour augmenter les champs électriques à proximité des molécules en utilisant des propriétés plasmoniques de nanostructures métalliques en champ proche optique.

Spectroscopie Brillouin : introduction et exemples

À l’image de la spectroscopie Raman, la spectroscopie Brillouin est basée sur la diffusion inélastique de la lumière induite par des variations de polarisabilité, et en ce sens ces deux techniques sont très comparables. Dans ce chapitre, nous commencerons par exposer les différences entre spectroscopies Raman et Brillouin, puis nous décrirons rapidement les bases de la diffusion Brillouin, ainsi que les instrumentations disponibles à l’heure actuelle. Pour finir, nous présenterons succinctement plusieurs études impliquant la spectroscopie Brillouin et qui montrent la diversité des questions qu’elle permet d’aborder et plus particulièrement son ouverture récente vers les matériaux biologiques.

Infrarouge et Raman : de la spectroscopie à l’imagerie

Les spectroscopies infrarouge et Raman décrites en détails dans les chapitres précédents permettent donc de caractériser finement les objets sondés. Si ces objets sont hétérogènes, cette caractérisation sera différente en fonction de l'endroit sondé. Plusieurs mesures ponctuelles permettront d'affiner la réponse, mais souvent, cette description restera incomplète. L'hétérogénéité peut être de différentes origines: échantillons constitués de différentes phases, différentes compositions moléculaires, gradients de concentration, variations locales de propriétés (contraintes mécaniques, indices optiques, température, etc.). Les spectroscopistes ont alors développé des techniques d’imagerie, qui trouveront naturellement leur intérêt dès lors que les hétérogénéités de compositions ou de propriétés ont des dimensions comparables aux résolutions spatiales de ces méthodes.

La spectroscopie proche infrarouge

La spectroscopie proche infrarouge fait partie des spectroscopies vibrationnelles au même titre que l’infrarouge moyen (MIR) et le Raman. C’est une méthode physicochimique d’analyse basée sur l’interaction entre un rayonnement lumineux dans le domaine proche infrarouge et les molécules de l’échantillon. Cependant, contrairement au MIR et au Raman qui s’intéressent aux vibrations fondamentales de la molécule, le PIR va sonder les harmoniques et les combinaisons de ces modes de vibration. Les spectres sont peu intenses et généralement mal résolus mais peuvent être obtenus très facilement sur des échantillons non préparés. Il en ressort une certaine complexité qui peut expliquer que cette technique soit peu enseignée dans le domaine académique alors qu’elle présente une grande attractivité dans le domaine industriel.

Imagerie Raman cohérente

Obtenir des informations sur la matière à des échelles micrométriques, de manière non destructive et sans utiliser aucun marquage reste un défi méthodologique et technologique. Les techniques établies de microscopie de fluorescence ont permis de réelles avancées dans la compréhension des phénomènes biologiques mais le marquage utilisant des fluorophores limite considérablement cette technique, en particulier dans le domaine biomédical. Depuis une quinzaine d’année, la microscopie Raman cohérente a connu un important essor. Basée sur les propriétés vibrationnelles des molécules, cette technique permet aujourd’hui une imagerie tridimensionnelle des liaisons chimiques à cadence vidéo. De nombreux développements ont permis, à partir des concepts de la diffusion Raman et de l’optique non linéaire, d’élaborer des outils technologiques puissants permettant d’imager les échantillons biologiques en utilisant les contrastes de diffusion Raman anti-Stokes et de diffusion Raman stimulée. Dans ce chapitre, nous développons tout d’abord, grâce à des modèles simples, ces processus clés permettant d’appréhender la physique sous-jacente à l’imagerie Raman cohérente. Ensuite, nous illustrons ces techniques d’imagerie au travers de travaux menés récemment sur des échantillons biologiques et cristallins. Nous discutons enfin les perspectives actuelles concernant l’évolution des technologies et leurs domaines applicatifs.

La chimiométrie appliquée à la spectroscopie

La chimiométrie, ou l'analyse de données multivariées, est la science qui applique des méthodes mathématiques et statistiques optimales pour traiter des données issues de mesures au sens large. La chimiométrie comprend la conception d'expériences en amont et l'analyse des données afin d'obtenir des informations pertinentes à partir des mesures effectuées. Le besoin d'outils chimiométriques puissants provient principalement du développement de l'instrumentation qui offre de grandes quantités de données de plus en plus complexes et non spécifiques. Le domaine scientifique de la chimiométrie se compose d'une grande variété de méthodes mathématiques, visant à atteindre divers objectifs.