Absorbant - Absorbance

L'absorbance est définie comme « le logarithme du rapport entre la puissance rayonnante incidente et la puissance rayonnante transmise à travers un échantillon (à l'exclusion des effets sur les parois cellulaires) ». En variante, pour les échantillons qui diffusent la lumière, l'absorbance peut être définie comme "le logarithme négatif d'un moins l'absorbance, tel que mesuré sur un échantillon uniforme". Le terme est utilisé dans de nombreux domaines techniques pour quantifier les résultats d'une mesure expérimentale. Alors que le terme a pour origine la quantification de l'absorption de la lumière, il est souvent mêlé à la quantification de la lumière qui est « perdue » pour un système de détection par le biais d'autres mécanismes. Ce que ces utilisations du terme ont tendance à avoir en commun, c'est qu'elles font référence à un logarithme du rapport d'une quantité de lumière incidente sur un échantillon ou un matériau à celle qui est détectée après que la lumière a interagi avec l'échantillon.  

Le terme absorption fait référence au processus physique d'absorption de la lumière, tandis que l'absorbance ne mesure pas toujours uniquement l'absorption : elle peut mesurer l' atténuation (de la puissance rayonnante transmise), causée par l'absorption, mais aussi la réflexion, la diffusion et d'autres processus physiques.

Histoire et utilisations du terme absorbance

loi Bouguer Lambert

Les racines du terme absorbance se trouvent dans la loi de Bouguer ( loi de Bouguer-Lambert). Au fur et à mesure que la lumière se déplace à travers un média, elle deviendra plus faible au fur et à mesure qu'elle s'éteint. Bouguer a reconnu que cette extinction (maintenant souvent appelée atténuation) n'était pas linéaire avec la distance parcourue à travers le milieu, mais liée par ce que nous appelons maintenant une fonction exponentielle. Si est l'intensité de la lumière au début du trajet et est l'intensité de la lumière détectée après avoir parcouru une distance , la fraction transmise, , est donnée par :  , où est appelée constante d'atténuation (terme utilisé dans divers domaines où un signal est transmis via un support) ou coefficient. La quantité de lumière transmise diminue de façon exponentielle avec la distance. En prenant le logarithme napierien (naturel) dans l'équation ci-dessus, on obtient :   . Pour les milieux diffusants, la constante est souvent divisée en deux parties, , en la séparant en un coefficient de diffusion, , et un coefficient d'absorption, , obtenant : .

Si la taille d'un détecteur est très petite par rapport à la distance parcourue par la lumière, toute lumière diffusée par une particule, que ce soit vers l'avant ou vers l'arrière, ne frappera pas le détecteur. Dans ce cas, un tracé en fonction de la longueur d'onde donnera une superposition des effets d'absorption et de diffusion. Étant donné que la portion d'absorption est plus distincte et a tendance à chevaucher un arrière-plan de la portion de diffusion, elle est souvent utilisée pour identifier et quantifier les espèces absorbantes. Par conséquent, cela est souvent appelé spectroscopie d'absorption , et la quantité tracée est appelée "absorbance", symbolisée par . Certaines disciplines par convention utilisent l'absorbance décadique plutôt que l'absorbance napierienne, ce qui donne : (avec l'indice 10 généralement non indiqué).

La loi de la bière avec des échantillons non diffusants

Au sein d'un milieu homogène tel qu'une solution, il n'y a pas de diffusion. Pour ce cas, largement étudié par August Beer, la concentration de l'espèce absorbante suit la même réponse linéaire que la longueur du trajet. De plus, les contributions des espèces absorbantes individuelles sont additives. C'est une situation très favorable, et fait de l'absorbance comme mesure d'absorption de loin préférable à la fraction d'absorption (absorbance). C'est le cas pour lequel le terme "absorbance" a été utilisé pour la première fois.

Une expression courante de la loi de Beer associe l'atténuation de la lumière dans un matériau à : , où est l' absorbance ; est le coefficient d'atténuation molaire ou l' absorptivité de l'espèce atténuante ; est la longueur du chemin optique ; et est la concentration de l'espèce atténuante.

Absorbance pour les échantillons de diffusion

Pour les échantillons qui diffusent la lumière, l'absorbance est définie comme "le logarithme négatif d'un moins l'absorbance (fraction d'absorption : ) telle que mesurée sur un échantillon uniforme". Pour l'absorbance décadaire, cela peut être symbolisé par : . Si un échantillon transmet et renvoie à la fois de la lumière , et n'est pas luminescent, la fraction de lumière absorbée ( ), émise ( ) et transmise ( ) s'ajoute à 1, ou : . Notez que , et la formule peut s'écrire : . Pour un échantillon qui ne se disperse pas, , et , donnant la formule d'absorbance d'un matériau discuté ci-dessous.

Même si cette fonction d'absorbance est très utile avec les échantillons diffusants, la fonction n'a pas les mêmes caractéristiques souhaitables que pour les échantillons non diffusants. Il existe cependant une propriété appelée pouvoir absorbant qui peut être estimée pour ces échantillons. Le pouvoir absorbant d'une seule unité d'épaisseur de matériau constituant un échantillon diffusant est le même que l'absorbance de la même épaisseur de matériau en l'absence de diffusion.

Optique

En optique , l' absorbance ou l' absorbance décadique est le logarithme commun du rapport de la puissance rayonnante incidente à la puissance rayonnante transmise à travers un matériau, et l' absorbance spectrale ou l' absorbance spectrale décadique est le logarithme commun du rapport de la puissance rayonnante spectrale incidente à la puissance rayonnante transmise à travers un matériau. L'absorbance est sans dimension , et en particulier n'est pas une longueur, bien qu'il s'agisse d'une fonction croissante monotone de la longueur du trajet, et s'approche de zéro lorsque la longueur du trajet approche de zéro. L'utilisation du terme "densité optique" pour l'absorbance est déconseillée.

Définitions mathématiques

Absorbance d'un matériau

L' absorbance d'un matériau, notée A , est donnée par

est le flux radiant transmis par ce matériau,
est le flux radiant reçu par ce matériau,
est la transmittance de ce matériau.

L'absorbance est une grandeur sans dimension . Néanmoins, l' unité d'absorbance ou AU est couramment utilisée dans la spectroscopie ultraviolet-visible et ses applications de chromatographie liquide haute performance , souvent dans des unités dérivées telles que l'unité de milli-absorbance (mAU) ou les milli-unités d'absorbance (mAU × min) , une unité d'absorbance intégrée dans le temps.

L'absorbance est liée à la profondeur optique par

τ est la profondeur optique.

Absorbance spectrale

Absorbance spectrale de la fréquence et l' absorbance spectrale de longueur d' onde d'un matériau, noté A ν et A λ respectivement, sont donnés par

Φ e,ν t est le flux spectral de rayonnement en fréquence transmis par ce matériau,
Φ e,ν i est le flux spectral de rayonnement en fréquence reçu par ce matériau,
T ν est la transmittance spectrale de la fréquence de ce matériau,
Φ e,λ t est le flux spectral de rayonnement en longueur d'onde transmis par ce matériau,
Φ e,λ i est le flux spectral de rayonnement en longueur d'onde reçu par ce matériau,
T λ est le facteur de transmission spectrale de longueur d' onde de ce matériau.

L'absorbance spectrale est liée à la profondeur optique spectrale par

τ ν est la profondeur optique spectrale en fréquence,
τ λ est la profondeur optique spectrale en longueur d'onde.

Bien que l'absorbance soit proprement sans unité, elle est parfois rapportée en "unités d'absorbance", ou AU. De nombreuses personnes, y compris des chercheurs scientifiques, expriment à tort les résultats des expériences de mesure d'absorbance en fonction de ces unités composées.

Relation avec l'atténuation

Atténuation

L'absorbance est un nombre qui mesure l' atténuation de la puissance rayonnante transmise dans un matériau. L'atténuation peut être causée par le processus physique d'« absorption », mais aussi par la réflexion, la diffusion et d'autres processus physiques. L'absorbance d'un matériau est approximativement égale à son atténuation lorsque l'absorbance est à la fois bien inférieure à 1 et que l'émittance de ce matériau (à ne pas confondre avec l'exitance radiante ou l' émissivité ) est bien inférieure à l'absorbance. En effet,

Φ e t est la puissance rayonnante transmise par ce matériau,
Φ e att est la puissance de rayonnement atténué par cette matière,
Φ e i est la puissance rayonnante reçue par ce matériau,
Φ e e est la puissance rayonnante émise par ce matériau,

qui équivaut à

T = e te i est le facteur de transmission de ce matériau,
ATT = Φ e atte i est l' atténuation de ce matériau,
E = Φ e ee i est l'émittance de ce matériau,

et selon la loi de Beer–Lambert , T = 10 −A , donc

et enfin

Coefficient d'atténuation

L'absorbance d'un matériau est également liée à son coefficient d'atténuation décadique par

l est l'épaisseur du matériau traversé par la lumière,
a ( z ) est le coefficient d' atténuation décadique de ce matériau à z .

Si a ( z ) est uniforme le long du chemin, l'atténuation est dite linéaire et la relation devient

Parfois, la relation est donnée en utilisant le coefficient d'atténuation molaire du matériau, c'est-à-dire son coefficient d'atténuation divisé par sa concentration molaire :

ε est le coefficient d'atténuation molaire de ce matériau,
c ( z ) est la concentration molaire de ce matériau à z .

Si c ( z ) est uniforme le long du chemin, la relation devient

L'utilisation du terme « absorptivité molaire » pour le coefficient d'atténuation molaire est déconseillée.

Des mesures

Mesures logarithmiques vs mesures directement proportionnelles

La quantité de lumière transmise à travers un matériau diminue de façon exponentielle au fur et à mesure qu'elle traverse le matériau, selon la loi de Beer-Lambert (A=(ε)(l)). Étant donné que l'absorbance d'un échantillon est mesurée sous forme de logarithme, elle est directement proportionnelle à l'épaisseur de l'échantillon et à la concentration du matériau absorbant dans l'échantillon. Certaines autres mesures liées à l'absorption, telles que la transmittance, sont mesurées sous la forme d'un simple rapport de sorte qu'elles varient de manière exponentielle avec l'épaisseur et la concentration du matériau.

Absorbance : −log 10e te i ) Transmission : e te i
0 1
0,1 0,79
0,25 0,56
0,5 0,32
0,75 0,18
0,9 0,13
1 0,1
2 0,01
3 0,001

Plage de mesure de l'instrument

Tout instrument de mesure réel a une plage limitée sur laquelle il peut mesurer avec précision l'absorbance. Un instrument doit être étalonné et vérifié par rapport à des normes connues pour que les lectures soient fiables. De nombreux instruments deviendront non linéaires (ne respecteront pas la loi de Beer-Lambert) à partir d'environ 2 UA (~1% de transmission). Il est également difficile de mesurer avec précision de très petites valeurs d'absorbance (inférieures à 10 -4 ) avec des instruments disponibles dans le commerce pour l'analyse chimique. Dans de tels cas, les techniques d'absorption laser peuvent être utilisées, car elles ont démontré des limites de détection qui remplacent celles obtenues par les instruments conventionnels non laser de plusieurs ordres de grandeur (les détections ont été démontrées jusqu'à 5 × 10 − 13 ). La meilleure précision théorique pour la plupart des instruments non laser disponibles dans le commerce est atteinte dans la plage proche de 1 UA. La longueur du trajet ou la concentration doit ensuite, lorsque cela est possible, être ajustée pour obtenir des lectures proches de cette plage.

Méthode de mesure

En règle générale, l'absorbance d'une substance dissoute est mesurée à l'aide de la spectroscopie d'absorption . Cela implique de faire passer une lumière à travers une solution et d'enregistrer la quantité de lumière et les longueurs d'onde transmises sur un détecteur. En utilisant ces informations, les longueurs d'onde qui ont été absorbées peuvent être déterminées. Tout d'abord, les mesures sur un "blanc" sont prises en utilisant uniquement le solvant à des fins de référence. C'est ainsi que l'absorbance du solvant est connue, puis tout changement d'absorbance lors de la mesure de la solution entière est effectué uniquement par le soluté d'intérêt. Ensuite, des mesures de la solution sont prises. Le flux radiant spectral transmis qui traverse l'échantillon de solution est mesuré et comparé au flux radiant spectral incident. Comme indiqué ci-dessus, l'absorbance spectrale à une longueur d'onde donnée est

Le spectre d'absorbance est tracé sur un graphique d'absorbance en fonction de la longueur d'onde.

Un spectrophotomètre UV-Vis fera tout cela automatiquement. Pour utiliser cette machine, les solutions sont placées dans une petite cuvette et insérées dans le support. La machine est contrôlée par un ordinateur et, une fois qu'elle a été "vidée", affiche automatiquement l'absorbance tracée en fonction de la longueur d'onde. L'obtention du spectre d'absorbance d'une solution est utile pour déterminer la concentration de cette solution à l'aide de la loi de Beer-Lambert et est utilisée en HPLC .

Numéro de teinte

Certains filtres, notamment le verre de soudage , sont classés par numéro de teinte (SN), qui est 7/3 fois l'absorbance plus un :

ou

Par exemple, si le filtre a une transmittance de 0,1% (0,001 transmittance, ce qui correspond à 3 unités d'absorbance), son numéro de teinte serait 8.

Voir également

Les références