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Pigments et colorants de l’Antiquité et du Moyen Âge

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Institut de recherche et d'histoire des textes
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Centre de recherche sur les collections
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Équipe Étude des pigments, histoire et archéologie

Session A. Pour une typologie de la couleur : l'information couleur pour l'archéologue, pour l'historien d'art, pour le physicien et le chimiste

Interaction rayonnement-matière et couleur

Application aux pigments polyéniques naturels

Jean-Claude Merlin

Texte intégral

Introduction

1Quand un spectateur observe un objet, la perception de la couleur se fait en trois stades ; le premier physique, à partir des propriétés optiques de l’objet, le second physiologique qui met en œuvre le fonctionnement de l’œil et le troisième psychologique au niveau du centre de la vision dans le cerveau. Si on estime souvent que la couleur ressentie par ce spectateur n’est pas accessible à la mesure, on peut cependant étudier et mieux comprendre la cause physique directe qui provient de l’interaction de la lumière avec la matière.

2L’origine des colorations est assez variée ; cependant on peut schématiquement distinguer des couleurs « physiques » qui résultent de phénomènes de diffraction ou d’interférence à la surface de l’échantillon et des couleurs « chimiques » qui sont dues à la présence de molécules colorées ou pigments. Ces derniers peuvent être d’origine minérale ou organique.

3Le but de cet article est de présenter l’origine moléculaire de la couleur, résultant de l’interaction de la lumière avec la matière. Pour illustrer ce propos nous présentons le cas des molécules polyéniques. Ces molécules sont très abondantes dans la nature ; on citera les caroténoïdes qui forment une famille de pigments responsables d’une grande variété de colorations à la fois dans le monde végétal dans lequel ils sont synthétisés et le monde animal dans lequel ils sont assimilés et métabolisés. Ces pigments ne sont certes pas très utilisés dans les couches picturales bien que l’usage du Safran, pigment jaune obtenu à partir des stigmates du Crocus (Crocus sp.), et du Rocou, matière colorante d’un rouge orangé extraite des graines du rocouyer (Bixa orellana) ait été mentionné depuis de nombreux siècles. Ces composés présentent des caractéristiques très intéressantes pour la compréhension de la formation et des propriétés des molécules colorées.

4La problématique du physico-chimiste abordant le thème de la couleur peut être double. Les études peuvent être de nature fondamentale et viseront à étudier le mécanisme de l’absorption moléculaire ; elles peuvent se placer sur un plan analytique si la composition chimique d’un pigment est analysée. Différentes techniques spectroscopiques mettant en jeu l’interaction de la lumière avec des molécules colorées ont été utilisées à ces fins ; en premier l’absorption visible ou colorimétrie qui est de loin la méthode la plus répandue et plus récemment la spectrométrie Raman de résonance. Cette dernière technique a déjà trouvé un vaste champ d’application dans le domaine de l’étude des pigments ; des exemples significatifs sont présentés dans cet ouvrage.

Quelques définitions :

5La lumière est une forme particulière de l’énergie qui se propage sous forme d’ondes électromagnétiques. Les différentes grandeurs qui permettent de la caractériser sont :

  • La distance parcourue pendant une ondulation appelée longueur d’onde (λ)

  • Le nombre d’ondulations par unité de longueur ou nombre d’onde (v̄)

  • Le nombre de longueurs d’onde parcourues par unité de temps ou fréquence (v = cv̄ où c est la célérité de la lumière).

  • L’énergie transportée par l’onde lumineuse et qui peut être reliée aux grandeurs précédentes par les relations : E = hv = hcv̄ = hc/λ, où h est la constante de Planck.

6Le spectre des radiations électromagnétiques est très large, et bien qu’il y ait une continuité dans les valeurs de λ, on peut y distinguer plusieurs domaines particuliers (fig. 1). Le domaine de la lumière visible, qui est le seul auquel l’œil humain est sensible, n’est en fait constitué que par une bande très étroite de longueur d’onde comprise entre l’infrarouge et l’ultraviolet. A l’intérieur de ce domaine la valeur de la longueur d’onde caractérise la lumière perçue. Une lumière blanche est formée par la juxtaposition de toutes les longueurs d’onde du domaine visible avec une égale intensité. En plus de son aspect ondulatoire, on peut décrire un rayonnement comme un flux de particules appelées photons ; ils représentent la quantité minimale d’énergie pouvant être échangée avec la matière.

Fig. 1. Domaines des radiations électromagnétiques. L’échelle des longueurs d’onde est logarithmique c’est-à-dire que pour chaque intervalle, la valeur est multipliée par 10. Le domaine très étroit de la lumière visible a été agrandi afin de pouvoir y inscrire la couleur perçue en fonction de la longueur d’onde (l’échelle est linéaire). Un schéma très simplifié de production de la couleur par absorption de rayonnement (zone hachurée) est présenté.

7Lorsque la lumière entre en interaction avec la matière, elle peut être réfléchie, transmise, absorbée ou diffusée. L’absorption d’une radiation lumineuse par les atomes ou les molécules provoque une transition entre un niveau d’énergie faible (état fondamental) et un niveau d’énergie plus élevé (état excité). Les niveaux atteints sont par ordre croissant d’énergie, les niveaux de rotation (domaine des micro-ondes ou de l’infrarouge lointain), les niveaux de vibration (domaines de l’infrarouge) et les niveaux électroniques (domaine du visible et de l’ultraviolet). Après une transition donnée, la molécule excitée peut retourner à son état fondamental par des processus de désactivation (internes ou externes) ou par émission de radiations lumineuses ; c’est le cas de la fluorescence ou de la phosphorescence (fig. 2).

Absorption d’échantillons transparents

8Si une lumière polychromatique pénètre à l’intérieur d’un échantillon transparent, une faible partie est diffusée par les molécules ou d’éventuelles particules : l’autre sera transmise, mais certaines radiations sont atténuées par des phénomènes d’absorption ; l’absorption différente des radiations de la lumière visible par les corps colorés est à l’origine des couleurs perçues par l’œil humain (fig. 1). La distribution d’intensité des différentes radiations transmises en fonction de leur longueur d’onde, constitue le spectre d’absorption. Bien avant le développement des théories de l’absorption, Beer et Lambert ont proposé une loi simple indiquant que la fraction de lumière absorbée est proportionnelle au nombre de molécules interagissant avec l’onde lumineuse. Quand un milieu absorbant est illuminé par une radiation monochromatique d’intensité Io, l’intensité I du faisceau transmis décroît exponentiellement quand augmente la longueur 1 du milieu traversé et la concentration c du corps absorbant dissout dans un milieu transparent. On définit l’absorbance A ou la densité optique DO par :

9A = DO = log10 Io/I = ε.c.l,

10le coefficient d’extinction molaire £ est souvent utilisé pour définir l’intensité d’absorption donc le pouvoir colorant du composé ; il dépend de la probabilité de la transition électronique mise en jeu et de la taille des molécules exprimée sous la forme de leur section efficace. Ce coefficient varie beaucoup avec le solvant utilisé aussi il convient parfois d’exprimer l’intensité par la surface de la bande d’absorption qui, généralement varie peu.

Fig. 2. Niveaux d’énergie d’une molécule. Les différentes transitions possibles sont indiquées par des flèches, dirigées vers le haut s’il s’agit d’une absorption d’énergie ou vers le bas s’il s’agit d’une réémission.

Réflexion d’échantillons opaques1

  • 1 E.I. STEARNS, in The practice of absorption spectrophotometry, Wiley - Interscience, New York, Lond (...)

11L’interaction de la lumière avec un échantillon non transparent dépend de plusieurs paramètres comme l’indice de réfraction, les coefficients d’absorption et les paramètres géométriques (état de surface, forme, taille et répartition des particules).

12Une partie de la lumière incidente est réfléchie par la surface. Si cette surface est uniforme (échantillon poli), l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence ; c’est la réflexion spéculaire. Si elle présente de nombreuses irrégularités (échantillon rugueux), la lumière est réémise dans toutes les directions ; c’est la réflexion diffuse. Généralement les deux types de réflexion coexistent pour un échantillon donné. Les différentes longueurs d’onde contenues dans une lumière incidente peuvent être réfléchies avec différentes intensités, ce qui peut conférer une couleur à un échantillon réfléchissant, appelée le bronze par exemple, dans le cas d’un métal.

13Une seconde partie de la lumière peut être réfractée et pénètre à l’intérieur de l’échantillon ; elle est alors soumise à des phénomènes multiples qui dépendent de la profondeur de pénétration. On peut très schématiquement distinguer :

  • Des réflexions sur les particules présentes à l’intérieur de l’échantillon.

  • Des diffusions résultant de l’interaction d’un champ électrique sur des dipôles (diffusion Rayleigh) ou des volumes microscopiques sphériques (diffusion Mie).

  • Des diffractions par des particules possédant des dimensions du même ordre de grandeur que la longueur d’onde incidente.

  • Des phénomènes d’absorption caractéristiques des différents composés contenus dans l’échantillon.

14L’ensemble de ces phénomènes contribue à une réémission de lumière dont la répartition spectrale est différente de la lumière incidente. De nombreuses théories ont été développées pour décrire ces phénomènes ; la plus couramment utilisée est celle de Kubelka et Munk qui indique que la réflectance R d’un échantillon opaque (déterminée par rapport à un échantillon de référence de couleur blanche comme le sulfate de baryum ou l’oxyde de magnésium) peut être calculée à partir de coefficients d’absorption (K) et de diffusions. La fonction ainsi définie :

15permet de retrouver une représentation des résultats analogue à celle de l’absorption c’est-à-dire linéarité avec la concentration c. Cette théorie n’est cependant pas applicable à tous les cas ; la relation linéaire entre F (R) et c n’est obtenue que dans le cas de substances faiblement absorbantes diluées dans un milieu non absorbant et pour une granulométrie très fine, proche du micromètre. Nous voyons donc que pour un même composé, il peut y avoir des différences significatives entre le spectre d’absorption et le spectre de réflexion ; différences principalement liées à l’état de surface, à la granulométrie du pigment et à la nature de la substance d’imprégnation.

16Dans le domaine du visible, le spectre de réflexion pour un échantillon opaque, comme le spectre d’absorption pour un échantillon transparent peut constituer une définition de la couleur. Cependant si des spectres identiques conduisent à une même couleur, des spectres différents ne signifient pas forcément des couleurs différentes. Dans certains cas on pourra utiliser non pas le spectre dans son entier mais des combinaisons de couleurs partielles. On mesurera par exemple en colorimétrie les densités optiques ou les réflectances des trois composantes fondamentales ; le jaune (absorption à 420 nm), le rouge (absorption à 520 nm) et le bleu (absorption à 620 nm). Dans tous les cas, ces définitions ne seront valables que si les caractéristiques géométriques et spectrales de la lumière incidente sont parfaitement connues.

Orbitales moléculaires et transitions2,3

  • 2 C.N.R. RAO, in Ultraviolet and Visible spectroscopy, chemical applications, London, Butterworths, ( (...)
  • 3 H.H. JAFFE and M. ORCHIN, in Theory and applications of ultraviolet spectroscopy, John Wiley and so (...)

17Généralement la couleur des substances organiques a pour origine la présence d’une ou de plusieurs liaisons insaturées. Ces liaisons ou les groupes de liaisons responsables de la couleur sont appelés chromophores (ex : C=C, C=O, C=N, N=N). Les groupements qui ne participent pas directement à la couleur mais qui ont la faculté d’augmenter les propriétés d’un chromophore sont appelés auxochromes (ex : Cl, NH2, OH). L’interprétation des spectres électroniques de molécules organiques est souvent très difficile à cause de la présence simultanée de plusieurs chromophores et auxochromes à l’intérieur d’une même molécule. Si nous voulons discuter des spectres électroniques de molécules organiques en terme de chromophores, il est nécessaire de connaître les différents types d’orbitales moléculaires pouvant être mises en jeu au cours d’une transition électronique.

18L’image de l’électron gravitant autour du noyau sur une orbite précise a été abandonnée au début du siècle pour faire place à un modèle de l’atome essentiellement mathématique dans lequel l’électron n’est plus considéré comme une particule mais comme une onde stationnaire. On utilise communément le terme orbitale pour définir l’espace virtuel à l’intérieur duquel la probabilité de trouver l’électron a une valeur donnée (90 % ou 99 %). Pour la molécule on utilise le même formalisme et la mise en commun d’un doublet électronique lors de la formation d’une liaison est réalisée par le recouvrement de deux orbitales atomiques (fig. 3).

Fig. 3. Modes de formation de liaisons σ et π par recouvrement d’orbitales atomiques s et p. Les combinaisons peuvent être additives (orbitales liantes σ et π) ou soustractives (orbitales anti-liantes σ* et π*). Les orbitales moléculaires ont des caractères très différents quant à leur géométrie et à leur niveau d’énergie.

19On définit ainsi des orbitales moléculaires qui ne sont en fait que des combinaisons linéaires d’orbitales atomiques. A chaque orbitale correspond un niveau d’énergie. Les électrons responsables de la formation des liaisons simples sont placés dans des orbitales appelées σ qui se situent sur l’axe reliant les deux atomes ; les électrons formant les doubles liaisons sont situés dans des orbitales π qui occupent l’espace au-dessus et en-dessous de l’axe interatomique. Les électrons non engagés dans des liaisons sont appelés électrons n ; ils sont moins fortement liés que les électrons σ et π. σ* et π* indiquent les orbitales d’énergie supérieure appelées orbitales anti-liantes ; elles sont vides quand la molécule se trouve dans son état fondamental. Si dans le niveau fondamental les électrons σ sont plus fortement liés que les électrons π, on trouve le phénomène inverse dans l’état excité, et le niveau σ* est plus élevé en énergie que le niveau π*. A partir de ces différents niveaux d’énergie (σ*> π*> n> π> σ) il est donc possible d’observer des transitions électroniques (transfert d’un électron) entre des orbitales liantes et des orbitales anti-liantes du type σ → σ* et π → π* et des transitions à partir d’orbitales non liantes comme n → σ* et n → π*. Les composés comportant des liaisons multiples, donc des électrons π, absorbent généralement à des longueurs d’onde plus élevées que les systèmes saturés car seules les transitions n → π* et π → π* sont placées dans le domaine du proche ultraviolet ou du visible et peuvent contribuer à la couleur. A cause des règles de sélection basées sur les propriétés de symétrie des orbitales, les transitions n → π* sont interdites et leur intensité sera faible comparée aux transitions π → π*.

Spectres électroniques de molécules polyéniques(,)

Fig. 4. Formation d’un système conjugué dans lequel le nuage π couvre l’ensemble des trois liaisons.

20Le spectre électronique d’une molécule polyénique contenant plusieurs doubles liaisons en alternance avec des simples liaisons, est très différent de celui d’une molécule possédant des doubles liaisons isolées. Ce phénomène est provoqué par la délocalisation des él ectrons π le long de la chaîne carbonée, c’est-à-dire que les électrons ne sont plus localisés sur une seule liaison mais peuvent se répartir sur un plus grand nombre d’atomes de carbone (fig. 4). Cette conjugaison modifie les énergies des niveaux électroniques π et π* (fig. 5), et provoque un déplacement de la bande d’absorption π → π* vers les grandes longueurs d’onde ; du domaine de l’ultraviolet, la bande d’absorption passe dans le domaine du violet, puis du bleu. Parallèlement on observe une augmentation de l’intensité de cette bande d’absorption. On voit clairement que pour une série de polyènes la longueur d’onde du maximum d’absorption et l’intensité augmentent avec le nombre de doubles liaisons (fig. 6). Ces phénomènes ont fait l’objet de nombreuses études et peuvent trouver des fondements théoriques.

Fig. 5. Evolution de l’énergie de la transition π→π* pour des polyènes conjugués possédant k doubles liaisons.

Fig. 6. Spectres d’absorption de polyènes conjugués possédant k doubles liaisons.

21Le modèle mathématique dit de « l’électron dans la boîte » est particulièrement applicable aux systèmes d’électrons dans des molécules conjuguées. On utilise la propriété qu’a l’électron de ne plus être attaché à une liaison particulière mais de pouvoir se déplacer à travers tout le système conjugué. On considère une région de longueur a, à l’intérieur de laquelle l’électron libre possède un potentiel fini et à l’extérieur de laquelle le potentiel est infini (fig. 7). Dans un système conjugué comportant k doubles liaisons, les 2 k électrons π se répartissent dans les k premiers niveaux d’énergie permis ; la première transition possible, celle de plus faible énergie se fait donc du niveau k au niveau k + 1. L’énergie de la transition est inversement proportionnelle à la longueur de la boîte qui peut être exprimée par a = l(2k + 1) si on estime que la longueur moyenne d’une liaison comprise dans un segment conjugué est égale à une constante 1. Pour différentes séries de molécules polyéniques, il est possible de montrer que l’énergie de la transition est inversement proportionnelle à 2 k + 1 donc à la longueur de la chaîne polyénique. Cette loi n’a qu’une validité relative car on remarque que si k tend vers l’infini, la longueur d’onde expérimentale n’augmente pas de manière infinie mais tend vers une valeur finie, cependant elle illustre bien la mobilité de l’électron à l’intérieur du segment conjugué.

Fig. 7. Représentation schématique du modèle mathématique de l’électron dans la boîte pour un polyène formé de k doubles liaisons (a). Le potentiel réel auquel sont soumis les électrons π (b) peut schématiquement être représenté par un puits de potentiel de forme carrée (c). Les k premiers niveaux d’énergie permis sont occupés par des doublets électroniques et la première transition se fait de k à k + 1.

22On remarque également que l’intensité de la bande d’absorption croît avec le nombre de doubles liaisons. Dans l’approximation d’une intensité proportionnelle à la surface de la molécule (appelée section efficace), il est normal qu’une relation linéaire entre le coefficient d’extinction molaire ε et le nombre de doubles liaisons soit obtenue pour de nombreux polyènes.

23La longueur de la chaîne n’est cependant pas le seul paramètre affectant le spectre d’absorption. Il faut souvent prendre en considération l’influence du milieu comme les effets de solvant et de complexation. La complexité de la bande d’absorption des polyènes indique la participation des niveaux de vibration de l’état excité à la transition électronique. En effet l’intervalle séparant les différentes composantes, correspond à la fréquence d’élongation des doubles liaisons C=C de la molécule dans l’état excité. Cette structure fine peut, dans certains cas, disparaître par déformation de la chaîne polyénique ou interactions avec le milieu. Dans le domaine des courtes longueurs d’onde on peut distinguer des transitions harmoniques (énergie double ou triple de celle de la transition fondamentale) et de faibles bandes significatives de transitions interdites. Ces dernières peuvent être intensifiées si la chaîne perd ses propriétés de symétrie comme par exemple dans le cas d’une isomérisation.

24La spectrométrie (l’absorption est sans doute la technique la plus couramment utilisée pour l’étude de molécules colorées et elle apporte de nombreux renseignements sur les transitions mises en jeu. Cependant son utilisation reste quand même limitée sur le plan structural car les bandes sont généralement larges et mal résolues ; de nombreux renseignements sont ainsi cachés. De plus des chromophores de structure très différente peuvent avoir des spectres relativement voisins. Pour atteindre des informations structurales plus fines on fait souvent appel à la spectrométrie de vibration.

Spectrométrie de vibration4

  • 4 M. DELHAYE, Spectrométrie Raman, Techniques de l’ingénieur, 7, 2-18 (1975).

Fig. 8. Diagramme d’énergie, modes normaux de vibration, spectres d’absorption infrarouge et de diffusion Raman pour une molécule simple : H2O.

25Une molécule formée de N atomes peut être assimilée à un système mécanique possédant 3N degrés de liberté. Si on retire les mouvements d’ensemble de l’édifice, soit 3 rotations et 3 translations, il reste 3N-6 mouvements attribuables à des déformations internes, qui constituent les vibrations fondamentales de la molécule. A chaque mode de vibration, on peut faire correspondre une valeur particulière de l’énergie de la molécule qui est la somme des énergies cinétique et potentielle des particules en mouvement. L’étude de ces niveaux de vibration peut être réalisée par deux techniques différentes et complémentaires (fig. 8).

L’absorption infrarouge

26Si l’énergie des photons incidents est égale à la différence d’énergie entre deux niveaux de vibration, l’énergie de la molécule peut s’accroître par absorption d’un photon.

La diffusion Raman

27C’est un phénomène de changement de longueur d’onde qui accompagne la diffusion de la lumière par un milieu matériel. Il a été mis en évidence pour la première fois en 1928 par un physicien indien : C.V. Raman.

28Si l’énergie des photons incidents est très supérieure à l’écart énergétique entre deux niveaux de vibration, on peut faire l’hypothèse que la molécule est portée sur un niveau d’énergie élevé, qui ne correspond pas à un état énergétique établi. Le système retourne sur un des niveaux permis en émettant un photon dans une direction quelconque (fig. 2). Si le niveau final est identique au niveau initial, le photon diffusé aura même énergie, donc même longueur d’onde, que le photon incident ; cette diffusion sans changement de longueur d’onde est appelée diffusion élastique de la lumière, c’est la diffusion Rayleigh. Si le niveau final est différent du niveau initial, la molécule peut gagner ou perdre de l’énergie et le photon diffusé aura une longueur d’onde différente du photon incident. Cette diffusion avec changement de longueur d’onde, appelée diffusion inélastique de la lumière, constitue l’effet Raman. Si la molécule gagne de l’énergie, la longueur d’onde du photon diffusé sera supérieure à la longueur d’onde du photon excitateur ; c’est la diffusion Raman Stokes car elle obéit à la règle énoncée par Stokes à propos de l’émission de fluorescence. Si la molécule perd de l’énergie, la longueur d’onde du photon diffusé sera inférieure à la longueur d’onde du photon excitateur ; c’est la diffusion Raman anti-Stokes. L’effet Raman Stokes étant provoqué par une transition partant du niveau le moins élevé donc le plus peuplé est plus probable que l’effet Raman anti-Stokes, aussi c’est l’effet Raman Stokes qui est généralement étudié.

29Le spectre obtenu par analyse de la lumière absorbée ou diffusée permet bien souvent d’identifier sans ambiguïté l’édifice chimique analysé. Le spectre de vibration a souvent été comparé aux « empreintes digitales » d’une molécule. Cependant si l’on considère l’interaction de la molécule avec une onde électromagnétique, une différence apparaît entre l’absorption infrarouge et la diffusion Raman. Si le moment électrique dipolaire de la molécule, qui traduit la dissymétrie de la répartition des charges positives et négatives dans un édifice polyatomique, est modifié au cours d’une vibration, l’absorption infrarouge sera permise. La diffusion Raman ne pourra être observée que si la vibration engendre une variation de polarisabilité. Cette polarisabilité est la faculté de déformation du nuage de charges constituant la molécule sous l’influence d’un champ électrique uniforme. Il n’est pas possible, pour l’ensemble des molécules, d’évaluer les variations du moment dipolaire et de la polarisabilité. Cependant, en faisant intervenir les propriétés de symétrie de la molécule et par application des résultats de la théorie des groupes, il est possible de prévoir le nombre de modes vibrationnels actifs en diffusion Raman et en absorption infrarouge. Sans entrer dans le détail de cette théorie nous pouvons présenter certaines règles :

  • Si la molécule possède un centre de symétrie, il n’existe aucune vibration commune aux spectres Raman et infrarouge. Les vibrations symétriques par rapport à ce centre sont seules actives en Raman mais inactives en infrarouge ; les vibrations antisymétriques par rapport à ce centre sont au contraire actives en infrarouge et inactives en Raman. Cette règle est connue sous le nom de règle de mutuelle exclusion.

  • Certains modes de vibration peuvent être actifs à la fois en Raman et en infrarouge, cela indique que la molécule ne possède pas de centre de symétrie.

  • Certaines vibrations peuvent être inactives à la fois en Raman et en infrarouge.

  • Si la molécule possède au moins un axe de symétrie d’ordre supérieur à deux, certains modes peuvent être dégénérés, ce qui signifie que plusieurs modes (deux ou trois) sont confondus en une seule raie.

  • Les vibrations totalement symétriques sont toujours actives en Raman ; les raies correspondantes sont polarisées. Les autres modes de vibration (antisymétriques ou dégénérés) produisent, lorsqu’ils sont actifs en Raman, des raies dépolarisées.

Spectres Raman de résonance de molécules polyéniques

30L’effet Raman est très faible en intensité, en effet, sur 108 photons incidents, un seul sera diffusé de manière inélastique. L’intensité des raies Raman varie comme la puissance quatre de la fréquence diffusée (loi de diffusion en v4) ; même en utilisant une radiation de fréquence élevée, située dans le violet ou le proche ultraviolet, il est difficile d’obtenir des spectres pour des solutions contenant moins de 0, 01 mole par litre. Cependant, quand l’énergie de la radiation excitatrice est voisine d’une transition électronique propre à une molécule, un effet de résonance fait croître de plusieurs ordres de grandeur l’intensité de diffusion de certains modes de vibration localisés sur le groupe d’atomes responsable de la transition électronique appelé chromophore. La théorie de cette exaltation est assez complexe mais on peut admettre en première approximation, que sont exaltées par exemple les diffusions de modes de vibration qui facilitent la déformation de la géométrie de l’état fondamental et la rapprochent de celle de l’état électronique excité. L’effet Raman de résonance présente un très grand intérêt pour l’étude de la structure de substances chromogènes et de la nature des liaisons chimiques en particulier pour la mise en évidence d’effets de conjugaison de systèmes d’électrons π. Le large choix de raies laser disponibles actuellement et dans certains cas l’emploi de lasers à longueur d’onde variable, permet l’observation de l’effet de résonance pour une très grande variété de chromophores ; ils peuvent être caractérisés sans ambiguïté même à très faible concentration dans un milieu complexe. L’effet Raman de résonance présente un intérêt capital pour l’identification des espèces pigmentaires car un spectre de vibration caractéristique peut être obtenu sans extraction ni purification préalable. Le spectre Raman de résonance obtenu en irradiant un pétale de crocus jaune par une radiation bleue (fig. 9) est en tout point identique au spectre du pigment purifié ; dans ce cas la crocétine. Les raies de diffusion des différents constituants cellulaires non absorbants sont trop faibles pour être observées dans ces conditions. Il faut noter que l’obtention des spectres n’a nécessité aucune préparation particulière des échantillons. Le pétale étudié et le cristal de crocétine purifiée sont simplement placés au point de focalisation du faisceau laser. Il n’existe pas de phénomène équivalent en absorption infrarouge aussi le spectre d’absorption d’un milieu complexe sera très difficile à analyser ; la contribution du chromophore sera très faible.

Fig. 9. Spectres Raman de résonance du caroténoïde responsable de la couleur jaune du Safran : la crocétine. a) inclus dans un pétale d’une variété de crocus jaune, b) purifiée en cristaux ; excitation à 488 nm.

  • 5 J.C. MERLIN, Resonance Raman spectroscopy of carotenoïds and carotenoïd-contai ning systems, Pure a (...)

31Dans le spectre Raman de résonance de molécules polyéniques obtenu par excitation à l’intérieur de la transition π → π*, les deux raies les plus intenses sont attribuables aux modes d’élongations des simples et des doubles liaisons conjuguées. Ceci peut s’expliquer par le fait que dans l’état électronique excité on observe généralement une augmentation des longueurs de liaisons d’où effet de résonance sur ces modes. Le maximum d’exaltation est obtenu quand la radiation excitatrice coïncide avec la transition de plus grande longueur d’onde observée dans le spectre d’absorption. Si on prend le cas des caroténoïdes on peut remarquer que des modifications dans la structure des groupements terminaux affectent très peu les caractéristiques spectrales. Ce qui montre clairement que seul le système conjugué, ici la chaîne polyénique, est impliqué dans le phénomène de résonance. La raie attribuable aux élongations des doubles liaisons C=C (mode V1) peut être utilisée pour indiquer le degré de conjugaison le long de la chaîne polyénique. Pour des caroténoïdes possédant des longueurs de chaîne différentes, une corrélation entre la position du mode V1 et le nombre d’atomes de carbone dans la chaîne peut être obtenu. Cette relation est très proche de celle établie en spectrométrie d’absorption à l’aide du modèle de « l’électron dans la boîte »5.

  • 6 Y. KOYAMA, T. KAKII, K. SAIKI and K. TSOKIDA, Configuration of the carotenoid in the reaction cente (...)

32Le mode d’élongation des simples liaisons C-C (mode V2) est observé à un nombre d’onde plus faible, entre 1100 et 1300 cm-1. Une augmentation de la délocalisation, indiquée par une diminution du mode V1, devrait en principe renforcer l’ordre de la simple liaison donc augmenter la position du mode V2. En fait, à cause d’un mélange avec des modes de déformation C-H, le déplacement du mode V2 se fait en sens inverse et apporte peu de renseignements sur la délocalisation. Cependant les caractéristiques spectrales observées dans ce domaine sont très dépendantes de la configuration de la chaîne polyénique. Pour toute une variété d’isomères cis chaque composé possède une structure spectrale unique6.

Spectromètres et microspectomètres Raman

33L’observation de l’effet Raman et Raman de résonance est relativement simple dans son principe (fig. 10). Une radiation monochromatique issue d’un laser est focalisée sur l’échantillon à analyser afin de produire un flux très élevé de photons. La lumière diffusée est collectée perpendiculairement à la direction d’éclairement et projetée sur la fente d’entrée d’un monochromateur à réseaux qui disperse la lumière. Le spectre ainsi dispersé est détecté soit de manière séquentielle par un tube photomultiplicateur, soit dans son ensemble grâce à un détecteur multicanal.

Fig. 10. Schéma de principe d’une installation de spectrométrie Raman, présentant les techniques de détection monocanale et multicanale.

  • 7 A. DEFFONTAINE, M. BRIDOUX, M. DELHAYE, E. DA SILVA, and W. HUG, The third generation of multichann (...)

34Dans la détection monocanale, les photons sont détectés à l’intérieur d’une bande spectrale étroite (de 1 à 10 cm-1) isolée par la fente de sortie du monochromateur. Un système de balayage mécanique assure la rotation des réseaux et permet l’analyse successive des éléments spectraux. Malgré un haut degré de perfectionnement tant au point de vue optique qu’électronique, la technique monocanale a le gros désavantage de soustraire à l’expérimentateur une grande partie de l’information contenue dans le spectre. En effet, pendant l’analyse d’un élément spectral, les renseignements contenus dans les autres éléments spectraux sont occultés. Le balayage nécessite des temps d’irradiation très longs donc des risques de décomposition de l’échantillon. Dans la technique multicanale les réseaux sont fixes, la fente de sortie détermine une bande spectrale très large (plusieurs centaines de cm-1) et tous les éléments spectraux sont enregistrés simultanément avec une sensibilité par canal comparable à celle d’un photomultiplicateur. Les instruments modernes utilisent des barrettes de photodiodes obtenues par la juxtaposition de 512 ou 1024 éléments photosensibles au silicium de 25 µm de large sur 2, 5 mm de haut. Cette technique conduit à une réduction importante du temps nécessaire à l’enregistrement d’un spectre et à une amélioration sensible de la qualité du spectre c’est-à-dire du rapport signal sur bruit7

35La possibilité de focaliser l’excitation photonique d’un laser dans un volume très petit dont les dimensions ne sont limitées que par les lois de diffraction de la lumière, quelques micromètres, permet l’étude d’échantillons microscopiques.

  • 8 G.J. ROSASCO, E.S. ETZ and W.A. CASSAT, The analysis of discrete fine particles by Raman spectrosco (...)
  • 9 M. DELHAYE, P. DHAMELINCOURT, Raman microprobe and microscope with laser excitation, J. Raman, spec (...)

36Pendant la quatrième conférence internationale de spectroscopie Raman qui s’est déroulée à Brunswick aux USA en août 1974, deux communications furent présentées pour décrire les premières applications de la spectrométrie Raman à l’étude des échantillons microscopiques. Les deux appareils décrits avaient été développés de manière tout à fait indépendante, l’un au N.B.S. à Washington, l’autre au LASIR - CNRS à l’Université de Lille. L’instrument développé au N.B.S. était formé d’un spectromètre Raman conventionnel dans lequel le compartiment porte-échantillon était remplacé par un système optique permettant de focaliser le faisceau laser sur une particule microscopique et de collecter la lumière diffusée8. Le second instrument, mis au point par M. Delhaye et P Dhamelincourt, était conçu à partir d’un microscope optique couplé à un spectromètre équipé de deux systèmes de détection, monocanal et multicanal9.

37Des instruments spécialement conçus pour l’analyse microscopique ont été commercialisés sous le nom de « Microsondes Raman » ; une première génération a été mise sur le marché à partir de 1976 et baptisée « Mole ». Les grands développements qui ont été réalisés dans le domaine de l’optique, de l’électronique et du traitement informatique des signaux ont permis la création d’une seconde génération d’instruments utilisant la détection multicanale à barrettes de photodiodes. Ces nouveaux instruments offrent une sensibilité de 10 à 100 fois supérieure à celle de la première génération.

  • 10 P. DHAMELINCOURT, F. WALLART, M. LECLERCQ, A.T. N’GUYEN and D.O. LANDON, Laser Raman Molecular Micr (...)
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38Cette nouvelle technique de microanalyse s’est très vite développée à travers le monde et de nouveaux champs d’applications ont été découverts dans des domaines aussi variés que la géologie, la biologie, les matériaux industriels10 et tout récemment les pigments des manuscrits 11. Il faut ajouter que les mesures se font généralement à l’air libre, sans préparation particulière ; toutefois l’échantillon peut être placé, si besoin est, sous atmosphère contrôlée, en immersion dans un liquide, ou dans une enceinte thermostatée.

39L’une des principales limitations de cette technique reste le niveau d’irradiation élevé auquel est soumis l’échantillon pendant la durée de l’analyse. La focalisation d’un faisceau laser d’une dizaine de milliwatts sur une surface de un micromètre carré correspond à une densité d’énergie égale à un Mégawatt par centimètre carré. Cette densité considérable risque de provoquer des dégradations photochimiques ou thermiques au niveau de l’échantillon surtout si ce dernier est illuminé dans une de ses bandes d’absorption. Cependant il est souvent possible de minimiser ces effets en réduisant l’intensité du faisceau laser ou en le défocalisant, en plaçant l’échantillon sur un support ou dans un milieu possédant une conductivité thermique élevée, en réduisant le temps d’analyse par l’utilisation des microspectromètres Raman de seconde génération. En prenant ces précautions la technique de microanalyse par effet Raman est devenue réellement non destructive même pour des échantillons réputés fragiles.

40La plupart des composés peuvent ainsi être identifiés grâce à leur spectre de vibration à partir de particules de quelques microns cube, soit environ 10 picogrammes de matière ou moins. Dans le cas d’une analyse par effet Raman de résonance qui permet de caractériser sans ambiguïté une espèce chromogène dans un milieu complexe, la limite de détection peut atteindre le femtogramme.

Notes

1 E.I. STEARNS, in The practice of absorption spectrophotometry, Wiley - Interscience, New York, London, Sydney, Toronto, (1969).

2 C.N.R. RAO, in Ultraviolet and Visible spectroscopy, chemical applications, London, Butterworths, (1967).

3 H.H. JAFFE and M. ORCHIN, in Theory and applications of ultraviolet spectroscopy, John Wiley and sons, Inc., New York, London (1970).

4 M. DELHAYE, Spectrométrie Raman, Techniques de l’ingénieur, 7, 2-18 (1975).

5 J.C. MERLIN, Resonance Raman spectroscopy of carotenoïds and carotenoïd-contai ning systems, Pure and appl. chem., 57, 5, 785-792 (1985).

6 Y. KOYAMA, T. KAKII, K. SAIKI and K. TSOKIDA, Configuration of the carotenoid in the reaction centers of photosynthetic bacteria, comparison of the resonance Raman lines of the reaction centers with those of the 14 different cis-trans isomers of β. carotene, Photobiochem. and Photobiophys., 5, 139-150 (1983).

7 A. DEFFONTAINE, M. BRIDOUX, M. DELHAYE, E. DA SILVA, and W. HUG, The third generation of multichannel Raman spectrometers, Revue Phys. Appl., 19, 415-491 (1984).

8 G.J. ROSASCO, E.S. ETZ and W.A. CASSAT, The analysis of discrete fine particles by Raman spectroscopy, Appl. spectros., 29, 5, 396-404 (1975).

9 M. DELHAYE, P. DHAMELINCOURT, Raman microprobe and microscope with laser excitation, J. Raman, spectrosc., 3. 33-42 (1975).

10 P. DHAMELINCOURT, F. WALLART, M. LECLERCQ, A.T. N’GUYEN and D.O. LANDON, Laser Raman Molecular Microprobe (Mole), An. chem., 51, 414-419A (1979).

11 M. DELHAYE, B. GUINEAU et J. VEZIN, Application de la microsonde Raman-Laser à l’étude des pigments,Le Courrier du CNRS, 58, 20-31 (1984).

Table des illustrations

Légende Fig. 1. Domaines des radiations électromagnétiques. L’échelle des longueurs d’onde est logarithmique c’est-à-dire que pour chaque intervalle, la valeur est multipliée par 10. Le domaine très étroit de la lumière visible a été agrandi afin de pouvoir y inscrire la couleur perçue en fonction de la longueur d’onde (l’échelle est linéaire). Un schéma très simplifié de production de la couleur par absorption de rayonnement (zone hachurée) est présenté.
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Légende Fig. 2. Niveaux d’énergie d’une molécule. Les différentes transitions possibles sont indiquées par des flèches, dirigées vers le haut s’il s’agit d’une absorption d’énergie ou vers le bas s’il s’agit d’une réémission.
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Légende Fig. 3. Modes de formation de liaisons σ et π par recouvrement d’orbitales atomiques s et p. Les combinaisons peuvent être additives (orbitales liantes σ et π) ou soustractives (orbitales anti-liantes σ* et π*). Les orbitales moléculaires ont des caractères très différents quant à leur géométrie et à leur niveau d’énergie.
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Légende Fig. 4. Formation d’un système conjugué dans lequel le nuage π couvre l’ensemble des trois liaisons.
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Légende Fig. 5. Evolution de l’énergie de la transition π→π* pour des polyènes conjugués possédant k doubles liaisons.
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Légende Fig. 6. Spectres d’absorption de polyènes conjugués possédant k doubles liaisons.
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Légende Fig. 7. Représentation schématique du modèle mathématique de l’électron dans la boîte pour un polyène formé de k doubles liaisons (a). Le potentiel réel auquel sont soumis les électrons π (b) peut schématiquement être représenté par un puits de potentiel de forme carrée (c). Les k premiers niveaux d’énergie permis sont occupés par des doublets électroniques et la première transition se fait de k à k + 1.
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Légende Fig. 8. Diagramme d’énergie, modes normaux de vibration, spectres d’absorption infrarouge et de diffusion Raman pour une molécule simple : H2O.
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Légende Fig. 9. Spectres Raman de résonance du caroténoïde responsable de la couleur jaune du Safran : la crocétine. a) inclus dans un pétale d’une variété de crocus jaune, b) purifiée en cristaux ; excitation à 488 nm.
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Légende Fig. 10. Schéma de principe d’une installation de spectrométrie Raman, présentant les techniques de détection monocanale et multicanale.
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© CNRS Éditions, 2002

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