Spectroscopie infrarouge - Définition

Effets isotopiques

Les différents isotopes d'espèces particulières peuvent donner des détails fins en spectroscopie infrarouge. Ainsi, la fréquence d'étirement O-O de l'oxyhémocyanine est expérimentalement déterminées à 832 et 788 cm^-1 pour ν(¹⁶O-¹⁶O) et ν(¹⁸O-¹⁸O) respectivement.

Si l'on considère la liaison O-O comme un ressort, la fréquence d'absorption ν peut être calculée :

où k est la constante de ressort pour la liaison, et μ est la masse réduite du système A-B :

(m_i est la masse de l'atome i).

Les masses réduites de ¹⁶O-¹⁶O et ¹⁸O-¹⁸O peuvent être approchées par 8 et 9 unités atomiques, respectivement. Donc :

Spectroscopie infrarouge en deux dimensions

Plusieurs techniques de spectroscopie infrarouge sont dites en deux dimensions car elles permettent d'extraire de l'information supplémentaire par rapport à une technique plus classique (monodimensionnelle) en analysant les phénomènes de couplage en utilisant un paramètre supplémentaire à la fréquence.

Analyse de corrélation par spectroscopie infrarouge bidimensionnelle

Cette technique est l'application à la spectroscopie infrarouge de l'analyse de corrélation bidimensionnelle. En étendant l'information spectrale obtenue sur un échantillon perturbé, l'analyse spectrale est simplifiée et sa résolution améliorée. Les spectres bidimensionnels synchrone et asynchrone représentent un survol graphique des modifications spectrales induites par une perturbation (comme un changement de concentration ou de température) ainsi qu'une relation entre modifications spectrales pour deux nombres d'ondes (fréquences) différents.

Spectroscopie infrarouge bidimensionnelle non-linéaire

Séquence d'impulsions utilisée pour l'obtention d'un spectre infrarouge bidimensionnel par transformée de Fourier. La période τ₁ est habituellement appelée temps de cohérence et la période τ₂, le temps d'attente. La fréquence d'excitation est obtenue par transformée de Fourier le long de l'axe τ₁.

La spectroscopie infrarouge bidimensionnelle non-linéaire est, en quelque sorte, la « version infrarouge » de la spectroscopie de corrélation. Cette technique a été rendue possible avec le développement de lasers infrarouges à pulsations femtosecondes. Dans ces expériences, un ensemble de pulsations de « pompage » sont appliquées à l'échantillon. Ce train de pulsations est suivi d'un temps d'attente pour permettre au système de se relaxer. Ce temps dure typiquement de 0 à quelques picosecondes et sa durée peut être contrôlée avec une résolution d'une dizaine de femtosecondes. Une pulsation sonde est ensuite envoyée, déclenchant un signal d'émission de l'échantillon. Le spectre infrarouge bidimensionnel non-linéaire est un graphique bidimensionnel de corrélation de la fréquence ω₁ excitée par les pulsations pompes et de la fréquence ω₃ excitée par la pulsation sonde après le temps d'attente. Cela permet l'observation des couplages entre différents modes vibratoires. En raison de sa très haute résolution temporelle, cette technique peut être utilisée pour observer la dynamique moléculaire à l'échelle de la picoseconde. Cette technique est cependant très largement encore non répandue mais devient de plus en plus populaire en recherche fondamentale.
Comme pour la résonance magnétique nucléaire bidimensionnelle (RMN 2D), cette technique permet d'obtenir un spectre en deux dimensions avec des pics corrélés contenant les informations de couplage entre les différents modes. Cependant, contrairement à la RMN 2D, cette technique prend aussi en compte les excitations vers les harmoniques. Ces excitations sont perceptibles dans des pics d'absorption d'états excités en dessous de la diagonale et des pics de corrélation. En RMN 2D deux techniques distinctes, la COSY et la NOESY sont fréquemment utilisées. Les pics de corrélation dans la première sont réliés à du couplage scalaire, tandis que dans la seconde ils sont liés au transfert de spin entre les différents noyaux. En spectroscopie infrarouge bidimensionnelle non-linéaire, un temps d'attente nul correspond à la technique COSY, et un temps d'attente non nul permettant des transferts de populations vibrationnelles à la technique COESY. La "variante COSY" a été utilisée pour la détermination de structures secondaires de protéines.