Des analyses chimiques plus rapides et plus précises que jamais
Une nouvelle méthode de spectroscopie : des impulsions lumineuses ultra-courtes permettent de créer un "nez artificiel" de haute précision
Que vous souhaitiez analyser des échantillons environnementaux dans la nature ou surveiller une expérience chimique, vous avez souvent besoin de capteurs très sensibles, capables de "renifler" même d'infimes traces d'un certain gaz avec une extrême précision. Des variantes de la spectroscopie Raman sont souvent utilisées à cette fin : différentes molécules réagissent de manière très caractéristique à la lumière de différentes longueurs d'onde. Si l'on irradie un échantillon avec la lumière appropriée et que l'on mesure exactement comment la lumière est modifiée par l'échantillon, on peut déterminer si l'échantillon contient un certain gaz ou non.
Hongtao Hu et Vinzenz Stummer
Technische Universität Wien
Des scientifiques de la TU Wien (Vienne) viennent de faire un grand pas en avant dans ce domaine : une nouvelle méthode a été mise au point pour générer et contrôler avec précision la lumière appropriée pour de telles expériences. Cette méthode permet non seulement d'obtenir une précision beaucoup plus grande qu'auparavant, mais elle fonctionne également sans pièces mobiles et est donc beaucoup plus rapide que les meilleures technologies utilisées jusqu'à présent. Cette méthode vient d'être publiée dans la revue "Light : Science and Applications".
Émission Raman stimulée : des atomes en mouvement
La nouvelle technologie repose sur ce que l'on appelle "l'émission Raman stimulée", un processus de physique quantique dans lequel plusieurs photons sont impliqués simultanément. Un échantillon est irradié par une lumière composée de deux longueurs d'onde légèrement différentes. Une molécule de l'échantillon peut donc être touchée simultanément par deux photons transportant des quantités d'énergie légèrement différentes. Il peut alors arriver que le photon à haute énergie et le photon à faible énergie se transforment soudainement en deux photons à faible énergie - la différence d'énergie restante fait que la molécule a soudainement un peu plus d'énergie qu'auparavant. Les atomes de la molécule peuvent être stimulés pour osciller ou tourner, par exemple.
Cela signifie que le nombre de photons de haute énergie a diminué et que le nombre de photons de basse énergie a augmenté. C'est précisément de cette manière que l'on peut savoir si la molécule recherchée se trouvait bien dans l'échantillon.
"Normalement, il s'agit d'un processus laborieux", explique Hongtao Hu de l'Institut de photonique de l'Université technique de Vienne, premier auteur de l'article. "Il faut essayer soigneusement une longueur d'onde après l'autre, par exemple en dirigeant la lumière vers un cristal, puis en tournant lentement l'angle ou en changeant la température du cristal de manière à ce que l'échantillon soit touché par de nombreuses longueurs d'onde différentes au fil du temps.
Impulsions laser femtosecondes
À la TU Wien, cependant, le groupe de recherche du professeur Andrius Baltuska a coopéré avec le Dr Xinhua Xie du SwissFEL à l'Institut Paul Scherrer, en Suisse, et le professeur Alexei Zheltikov du département de physique et d'astronomie de l'université Texas A&M, aux États-Unis, pour mesurer le Raman à l'aide d'une source lumineuse spéciale. Le groupe d'Andrius Baltuska travaillait sur cette source lumineuse depuis des années. Hongtao Hu et les coauteurs ont maintenant pu montrer, grâce à des simulations informatiques approfondies, qu'elle peut atteindre une précision beaucoup plus élevée que les méthodes conventionnelles. "Nous ne produisons pas seulement une longueur d'onde, mais une série d'impulsions lumineuses ultra-courtes", explique le professeur Andrius Baltuska. "Chacune de ces impulsions a une durée de l'ordre de la femtoseconde.
Ces séries d'impulsions lumineuses n'ont pas de longueur d'onde spécifique - elles sont composées de plusieurs longueurs d'onde différentes. Le facteur décisif est la phase des ondes lumineuses, c'est-à-dire la position des crêtes et des creux des ondes. "En modifiant la phase, nous pouvons déplacer toutes les longueurs d'onde qui composent l'impulsion un peu en même temps", explique Hongtao Hu. "On obtient alors un signal Raman à des longueurs d'onde très spécifiques, mais pas à d'autres. Notre méthode nous permet donc d'examiner une gamme d'ondes spécifique d'une manière très élégante, sans avoir à ajuster de pièces mobiles. En principe, cela nous permet de différencier des molécules très différentes".
Une résolution spectrale plus élevée que jamais
Hongtao Hu a pu le démontrer : Plus la série d'impulsions lumineuses est longue, plus la précision est élevée : "Il est donc possible d'obtenir une résolution spectrale nettement plus élevée que jamais avec une série d'impulsions individuelles", explique Hongtao Hu. En principe, il est également possible de distinguer les transitions Raman provenant de différentes molécules, dont les signaux semblent presque identiques si la résolution spectrale n'est pas assez élevée. Les applications possibles de cette nouvelle technologie vont de l'analyse environnementale à l'assurance qualité dans l'industrie chimique, en passant par l'imagerie biologique.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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