FR2580805A1 - Spectrophotometre a tres haute resolution - Google Patents

Abstract

UN TUBE A ECLAIR 1 ILLUMINE LA FENTE D'ENTREE D'UN MONOCHROMATEUR 3 DONT LA FENTE DE SORTIE EST APPLIQUEE A UN CONDUCTEUR OPTIQUE 5 FORMANT DERIVATION STATISTIQUEMENT EQUILIBREE VERS UNE CUVE DE MESURE 6M ET UNE CUVE DE REFERENCE 6R. DES PHOTODETECTEURS QUANTIQUES 7M ET 7R MESURENT RESPECTIVEMENT LA LUMIERE TRANSMISE PAR LES DEUX CUVES. LES SIGNAUX ELECTRIQUES OBTENUS SONT AMPLIFIES ET NUMERISES, ET UN MICRO-ORDINATEUR 9 ETABLIT LE RAPPORT ENTRE LE SIGNAL DE MESURE M ET LE SIGNAL DE REFERENCE R, TOUTES CHOSES EGALES PAR AILLEURS.

Description

ANVAR AFF. i9 i

Spectrophotomètre à très haute résolution.

L'invention concerne la spectrophotométrle, c'est-à-

dire l'étude des sunstances d'après Leurs propriétés

optiques,essentleilement en transmission.

Parmi les applications connues de la spectrophotomé--

trie, l'étude des milieux biologiques (capables de pho-

tosynthèse) diffusant fortement la lumière est parti-

culièrement délicate. Ses progrès sont liés à ceux des appareils d'analyse dont dispose l'expérimentateur, et

en particulier des spectrophotomètres, ainsi qu'en té-

moignent notamment les publications di-après: - Une nouvelle métnode spectrophotométrlque destinée à

l'étude des réactions photosynthétiques", Pierre Jo-

liot, Daniel Béal et Bernard Frilley; Journal de Chi-

mie Physique, 1980, 77, N 3.

- "Electron Transfer between the two photosystems,

I. Flash Excitation under oxidizing conditions", Pier-

re Joliot et Anne Joliot, Blochlmlca et Biophysica Ac-

ta, 765 (1984) 210-218 Elsevier.

Dans la plupart de leurs applications à hautes per-

formances, les spectrophotomètres travaillent en mode différentiel. Cela signifie que les mesures du facteur de transmission optique sont effectuées en même temps

sur un échantillon de mesure et sur un échantillon te-

moin. Plus généralement, il est concevable d'effectuer une mesure différentielle entre deux échantillons de travail soumis à des conditions différentes. I1 est

donc connu de réaliser un spectrophotomètre différen-

tiel qui comprend une source de lumière de mesure mono-

chromatique, en particulier sous forme d'éclairs mono-

chromatiques de courte durée, un distributeur optique pour appliquer cette lumière aux deux échantillons à la fois, ainsi que deux photodétecteurs pour recueillir sélectivement la lumière transmise à travers chacun desdeux échantillons, pendant le fonctionnement de la source de lumière de mesure, afin de comparer le comportement de ces deux échantillons, comme décrit

dans l'article précité du Journal de Chlmie Physique.

Les performances d'un spectrophotomètre sont défi-

nies principalement par sa résolution, qui dépend de

très nombreux facteurs.

Le souci permanent des hommes de l'art est donc d'amé-

liorer cette résolution.

Le domaine très particulier des études biologiques

concernant la photosynthèse est sujet à des contrain-

tes spécifiques, qui portent notamment sur l'intensi-

té que l'on peut donner à la lumière de mesure. Il en

résulte des différences entre cette application parti-

culière et les autres applications des spectrophoto-

mètres.

La publication du Journal de Chimie Pnvsique mention-

née plus haut, qui développe une technique instrumen-

tale utilisable pour l'étude des réactions photosynthé-

tiques, contient des enseignements utiles pour amélio-

rer la résolution.

La publication dans Biochimica et Biophyslca Acta, qui est essentiellement de nature scientifique, invoque l'obtention d'une haute résolution à partir d'une brève mention de moyens techniques. Toutefois, il

s'est avéré que ce qu'elle enseigne au plan de l'appa-

reillage expérimental ne permet pas à l'homme de l'art

de réaliser un spectrophotomètre à très haute résolu-

tion. Le but essentiel de la présente invention est donc de proposer un spectrophotomètre de très naute résolution, utilisable dans des domaines autres que celui des

études biologiques sur la photosynthèse.

Le spectrophotomètre proposé est du type comprenant deux emplacements d'échantillons, des moyens optiques propres à appliquer aux deux échantillons une lumière de mesure monochromatique, des photodétecteurs propres à recueillir sélectivement la lumière transmise à

travers chacun des deux échantillons, ainsi que des mo-

yens électroniques propres à comparer les quantités de

lumière transmise ainsi mesurées par les deux photodé-

tecteurs.

Selon une caractéristique générale de la présente in-

vention, les moyens optiques distribuent la lumière de mesure aux deux échantillons de façon équilibrée

- 4 2580805

statistiquement. Cette condition apparemment simple est assez"difficile

à satisfaire en pratique.

Il est possible d'y arriver à partir de movens optiques qui comprennent une source d'éclair, qui illumine la

fente d'entrée d'un monochromateur à réseau holographi-

que concave.

Ledit équilibre statistique est alors obtenu par l'usage

d'un guide de lumière parallélépipédique, couplé optique-

ment à la fente de sortie du monochromateur, et suivi d'un guide de lumière en Y, dont les fibres optiques i5 sont distribuées sensiblement au hasard vers ses deux branches. De préférence, la source d'éclair est reliée à la fente d'entrée du monochromateur par un faisceau de fibres optiques à distribution sensiblement aléatoire, suivi d'un guide de lumière parallélépipédique. Ceci améliore encore l'équilibre statistique de la lumière appliquée

aux deux échantillons.

Selon un autre aspect de l'invention, le monochromateur est agencé avec plusieurs fentes d'entrée respectivement couplées par des faisceaux de fibres optiques à un ou

plusieurs tubes éclair, de façon que différents fais-

ceaux de longueurs d'ondes voisines soient disponibles au choix sur la fente de sortie du monochromateur. La sélection s'opère naturellement par l'actionnement des tubes éclair. On observera de surcroît qu'avec un tel montage, les éclairs peuvent être très rapprochés si plusieurs tubes éclairs sont utilisés-, car la contrainte liée au temps minimal entre deux éclairs consécutifs

d'un même tube ne Joue plus.

Ii est alors avantageux que certains au moins des gui-

des de lumière planés à l'entrée du moncchromateur com-

portent un renvoi d'angle, de préférence sous ia torme

d'une face de guide à 45 extérieurement métaliîsée.

Il est égaiement avantageux, en pareil 2as. que les

fentes d'entrée du monochromateur soient essentielle-

ment définies par le guide de lumière, au Lieu d'uti-

liser les dispositifs habituels de dlapnragmes formant

une fente mobile transversalement.

Selon un autre ascect de l'invention, les détecteurs de lumière sont des photodlodes au silicium de grande surface, agencées pour recueillir la l,. ire transmise sous un angle solide important et avec anr. rendement

quantique élevé.

Selon un autre aspect encore de l'invention les pho-

todiodes sont sensibles à des lonquieurs d'ondes allant de l'ultraviolet au proche infrarouge. L'appareil est alors particulièrement avantageux car il est possible d'opérer sur une assez large gamme de longueurs d'ondes,

sans changer ni les sources d'éclairs, ni le monochroma-

teur, ni les photodétecteurs.

Dans un mode de réalisation particulier, les moyens électroniques comportent des moyens convertisseurs

- courant-tension, associés à des moyens de filtrage dou-

ble, possédant un effet passe-bas en dessous d'une fre-

quence de l'ordre de 100 kHz, et un effet passe-haut

au-dessus d'une fréquence de l'ordre du kilohertz.

En pratique, les moyens électroniques comprennent en

outre, pour ch-ique loie de mesure, un ec;n nti llonneur-

bioqueur associe a un convertisseur analogique-

numérique, l'ensemble étant commandé à chaque fols par un circuit de retard qui reçoit une Irpulsion de synchronisation en provenance de ia sour-e d'éclairs. Ces moyens électroniques sont avantageusement complétés de moyens de calcul qui reçoivent les sorties 3es deux convertisseurs analogiques/numériques pour determiner à partir de là un rapport, lequel est sujet ensuite à des traitements numériques comportant la comparaison dudit rapport à une valeur de référence de ce rapport dite-ligne de base, qui représente un-état de référence

des deux échantillons.

L'un des échantillons est le plus souvent un échantillon

de travail, tandis que l'autre est un écnantLlon témoin.

Il est alors avantageux que le convertisseur courant-

tension, associé à l'échantillon témoin, travaille sur la seule sortie du photodétecteur correspondant, alors que le convertisseur courant-tenslon correspondant à l'échantillon de travail opère sur la différence(armplifiée)entre la sortie du photodétecteur associé à l'échantillon

de travail et celle du photodétecteur associé à l'échan-

tillon témoin.

L'appareil convient bien pour les mesures photochlmlques, pour lesquelles les échantillons sont en outre soumis

à l'action d'une lumière d'excitation.

Les échantillons peuvent être contenus dans des cuves, qui sont alors agencées de préférence de sorte que leurs

parois forment guides de lumière, au moins pour la LL-

mière de mesure.

-7 Une cuve particulièrement avantageuse est obtenue en munissant latéralement la cuve métallique d'une fenêtre destinée à l'illumination par la lumière d'excitation photochimique. D'autres caractérlstlques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la descrlption détallée ci-après, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un appareil selon l'invention; - la figure 2 est un schéma de la partie essentiellement optique du même appareil; - la figure 3 est un schéma de détail illustrant la constitution d'une dérivation optique statistiquement équilibrée; - les figures 4 et 4A sont des scnémas d'exemples de cuves d'expérimentation utilisées en biologie pour la mise en oeuvre de l'invention; - la figure 5 est un schéma partiellement détaillé des moyens électroniques interposés entre chaque cuve et

la mémoire numérique qui reçoit lessignaux correspon-

dants à cette cuve; et - la figure 6 est le schéma de principe d'un appareil

selon l'invention, dans lequel le monochromateur pos-

sède trois fentes d'entrée.

Certains aspects de l'invention font intervenir des

données géométriques, qui ne peuvent être définies com-

plètement que par les dessins. En conséquence, ceux-ci

sont intégrés à la description pour servir non seule-

ment à compléter celle-ci, mais aussi à définir l'inven-

tion si besoin est.

Sur la figure i, une source de lumière monochromatique est définie par un tube à éclair au xénon I, dont la sortie est appliquée par un conducteur optique 2 à la

fente d'entrée d'un monochromateur 3.

La fente de sortie de celui-ci est reliée à un conduc-

teur optique 5 formant dérivation statistiquement équi-

librée, dont les deux sorties vont respectivement vers

une cuve de mesure 6M et une cuve de référence 6R.

Comme précédemment mentionné, il est habituel dans les expérimentations biologiques d'utiliser un échantillon de travail et un échantillon témoin. Mais l'invention

pourrait aussi s'appliquer pour faire des mesures dif-

férentielles entre deux échantillons de travail.

Les sorties des cuves de mesure 6M4 et deréférence 6R sont respectivement appliquées à un photodétecteur de mesure 7M et un photodétecteur de référence 7R. A leur tour, ceux-ci sont électriquement connectés à des organes

d'amplification et de numérisation 8M et 8R.

. ,5

Les sorties de ceux-ci sont donc deux jeux de signaux numériques proportionnels aux nombres de photo- _ électrons détectés par les détecteurs 7M et 7R, pourvu

que ceux-ci aient été convenablement agencés. -

Un circuit électronique numérique 9, qui pet êtrea f7

dé sur un micro-ordinateur, comporte des zones de mé-

moire 91M et 91R prévues pour recevoir les signaux nu-

mériques de mesure et de référence respectivement.

Le micro-ordinate.r) est relié à la source de lumière 1, afin de pilorer. es trerps auxquels sent produits

les éclairs de la umnêere de mesure.

Apres chaque éelair, l'unité de commande 90 du mlcro- ordinateur 9 oeut a. D-s déterminer et stocKer dans une autre zone de mé]tre 99 ha valeur du racport MR entre

les signaux nué-eriues de mesure et 2es signaux numerl-

ques de référence comme décrit plus loin.

Dans la plupart des cas les variations de ce rapport

sont prises par rapport à une 'ligne de base" repré-

sentant un état de référence des deux échantillons.

L'artlcle du Journal de Chimle Physique déJà mentionne décrit dans son annexe et sa figure 9 comment réaliser l'alimentation en naute tension d'un -tube a éclairs, de façon que cette alLme-tation presente une recnarqe rapide, sans risque de réalLumage du tube lors de la

remontée de tension. i decrit également comment utili-

ser une bobine auxillaire ui définit une impulsion de synchronisation, laquelle peut servir aux organes

8M et 8R de la présente invention.

Il est préférable d'utiliser une telle source de lumière

de mesure comme constituant le bloc 1 de la figure 1.

En effet, on assure ainsi la possibilité d'appliquer aux échantillons à considérer des rafales d'éclairs qui se

succèdent à une cadence pouvant descendre à la millise-

conde. Ceci est intéressant, notamment pour les systèmes

évoluant rapidement.

La figure 2, qui reprend certains aspects de la figure 1, montre un tube à éclair au xénon 11, équipé d'une alimentation 10.i peut iînsi être celle décrlte dans

ledocument precLte.

La lumière de chaque éclair est appliquée à une fibre optique 21, de préférence à distribution sensibliement

aléatolre, suivie -'un guide de lumire parallelépl-

péalque 22, aboutissant sur la fente d' ntrée 31 du monochromateur 3. La fente d'entrée 31 est ici définie

par deux deml-fentes réglables mécaniquement. Le mono-

chromateur 3 peut être réalisé à partir d'un monochro-

mateur du commerce muni d'un réseau hoiographique conca-

ve, en particulier du modèle Jobin et Yvon HL, muni

d'un réseau holographique concave de diamètre 15 cm.

Toutefois, il s'est avéré souhaitable de modifier ce

monochromateur, comme illustré sur la figure 2, de fa-

çon à supprimer tous les miroirs et organes de réfle-

xion internes de celui-cl, tels qu'utliLsés classlque-

ment pour obtenir dans la fente de sortie une Image

optique de la fente d'entrée.

La lumière passe donc directement de la fente d'entrée 31 au réseau holographique concave 35, pour revenir par une seule réflexion sur la fente de sortie 39, qui

est réglable comme la fente d'entrée 31.

Le faisceau d'éclairs monochromatiques formant la lumiè-

re de mesure, tel qu'il existe sur la fente de sortie

39, est repris par un guide de lumière paralléléplpédl-

que 50, suivi d'un guide à fibre optique formant déri-

vation double en Y, avec distribution sensiblement aléa-

toire des fibres optiques de la partie commune vers les deux branches. Les extrémités libres 52M et 52R de ces deux branches sont appliquées à deux cuves 6M et 6R, de mesure et de référence respectivement. Ces cuves sont suivies à leur tour des photodétecteurs 7M I1

et 7R.

Ii s'avère qu'avec les fibres optiques don. on dispose

à l'heure actuelle, l'usage d'un guide parallélépipédi-

que tel que 50 est essentiel pour obtenir une vérita-

ble distribution équilibrée statistiquement de la lu-

mière de mesure vers les deux échantillons. Et cet équi-

libre est encore amélioré si l'on utilise à L'entrée du monochromateur la fibre 21 à distribution aléatoire

de ces fibres élémentaires, qui compense la loi de dis-

tribution spatiale de lumière que produit à son entrée la source d'éclairs 11, et aussi le guide de lumière

parallélépipédique 22, dont les trajets optiques inter-

nes parachèvent cette compensation, au niveau o la

lumière de mesure est encore polychromatique.

Un moteur pas à pas scnématisé en 4 permet d'ajuster la position du réseau holographique concave 35 pour obtenir la lumière monochromatique de longueur d'onde

désirée sur la fente de sortie 39.

Il s'est avéré que le seul usage d'une fibre 51 en Y à distribution aléatoire, telle que disponibie dans le commerce, ne permet pas d'obtenir un éclairement qui soit véritablement statistiquement équilibré entre

l'une et l'autre cuve.

Bien que les phénomènes ne soient pas encore complète-

ment interprétés, le Demandeur estime que ceci est d-

au fait que la distribution aléatoire porte sur des paquets de fibres en petit nombre, plutôt que sur les

fibres individuelles.

Il a été observé en tout cas que l'usage d'un guide de lumière parallélépipédique 50 qui assure la liaison

entre la fente de sortie 39 et l'entrée ou tronc com-

mun du coupleur à fibre optique en Y 51 assure cette fols une distribution statistiquement équilibrée de

la lumière entre Les deux cuves.

Intervient aussi le fait que la largeur de la fente de sortie 39 (voire de la fente d'entrée 31) a vocation

à varier pendant les expérimentations photochlmlques.

Si le coupleur 51 est placé directement après la fente de sortie 39, il en résulte une variation du nombre de fibres d'entrée actives lorsque la largeur de la

fente varie. L'utilisation du guide de lumière parallé-

lépipédique 50 a aussi pour avantage d'éliminer cette fluctuation, en canalisant systématiquement la lumière sur toute l'ouverture d'entrée du coupleur dérivateur 51. Les photodétecteurs 7M et 7R sont avantageusement de grande surface et à large bande. Le Demandeur préfère

actuellement utiliser des photodiodes au silicium, tel-

les que les cellules photovoltaiques, modèle UV 444 BQ de la Société des Etats-Unis nommée EGEG. De telles

cellules présentent l'avantage d'opérer des ultravio-

lets jusqu'au proche infrarouge.

Comme les tubes à éclairs sont également opératoires

sur une large bande de lumière, et que le monochroma-

teur peut être aussi ajusté sur une largeur de bande assez large, il en résulte que l'ensemble du système est capable de fonctionner sur de nombreuses longueurs

d'ondes lumineuses différentes, sans qu-aucun élément.

ne soit à interchanger.

Les figures 3 et 3A illustrent l'interconnexion optique

du distributeur en Y 51 avec le guide de lumière paral-

léléplpédlque 50. -a fgure 3 illustre les pièces dans

leurs formes réelles, et la figure 2a est -ne llustra-

tlon schématique Permettant de mieux comprendre ieur fonctionnement.

Les dimensions prlnclpaies de ces organes sont les sui-

vantes:

Pour le guide paraipeeéplpédique, longueur 50 mm, hau-

teur 10 mm et largeur 2, 5 mm. La surface active d'en-

trée 510 du tronc commun 51 du distributeur mesure par exemple 10 x 2,5 mm. La sortie de chacune des branches

52 est un cercle de diamètre 4 mm.

Lorsqu'on examine sur la figure 3A les fibres qui sont distribuées sur le rectangle d'entrée du tronc commun 51, i'expression "distribution statistique" signifie

que, sur un petit groupe de fibres tres voisines (idéa-

lement sur tout groupe de deux frbres très voisines), la moitié de ces f vores vont aller dans la branche 52M,

et l'autre dans la branche 52R.

Les cuves utilisables pour la mise en oeuvre de l'in-

vention peuvent être très différentes. Mais il est sou-

haitable que les parois latérales de cette cuve (celles qui sont parallèles à la direction de la lumière de mesure) forment guides de lumière intérieurement dans la cuve. Si ces parois sont elles-mêmes conductrices de lumière, il faut encore éviter que la lumière de mesure ne soit transmise préférentiellement à travers

la paroi elle-même dans son épaisseur.

Ces cuves peuvent être réalisées en quartz, en verre ou en métal. Un exemple d'une telle cuve est décrit

dans l'article déjà cité du Journal de Chlmle physi-

que; la figure 4 en montre un autre schématiquement.

Une paroi latérale cylindrique 60 es- reailsée en ver-

re ou en métal. Elle reçoit à ses extrémités des fenê-

tres d'entrée 60 et de sortie 62 qui sont en silice collée. Des tubulures non représentées traversent ia paroi 60 pour permettre le remplissage de la cuve. On

a lllustré en 6QAla tache que fait la lumi4re de me-

sure, sensiblement au centre de la fenêtre iJentrée

61, de façon à éviter autant que possible toute conduc-

tion de la lumière de mesure vers-i épaisseur de la paroi 60, lorsque celle-ci est en verre. Si cette paroi

* est en métal, la tache lumineuse 60 peut être plus éten-

due. Un autre exemple de cuve, utilisable en photochimie,

est illustré sur la figure 4A.

Un bloc de métal 160 est de forme générale senslbie-

ment cylindrique, mals tronqué latéralemernt arallèle-

ment à sa génératrice. Cette face tronquée reçoit une fenêtre 165, collée, en silice, à travers laquelle il est possible d'appliquer la lumière d'excitation bien connue des photochimistes (voir à cet égard l'article

déjà cité du Journal de Chimie Physique).

Aux extrémités, les fenêtres d'entrée 161 et de sortie 162 sont également en silice, et collées sur le bloc métallique 160. La lumière de mesure est appliquée

comme indiqué par la tache sur la face 161 de la figu-

re 4A.

Une telle cuve peut être intérieurement d'un diamètre

de 5 mm, pour une hauteur de 11 mm.

On notera enfin sur la figure 4A les tubulures 168 et

Z580805

i5

169 pour le remplissage de la cuve.

On comprend mieux maintenant que, du c6té de La sortie de la cuve, le photodétecteur utilisé doit posséder un bon rendement quantique, une grande surface, et dans toute la mesure du possible être dénué d'nystérésls,

compte tenu de la 7adence rapide à laqueile vont pou-

voir se répéter les éclairs d'illumnnation.

La figure 5 illustre les moyens électroniques utilisés

selon l'invention.

Les photodétecteurs 7R ou 7M (on omettra ci-après le suffi-

xe littéral R ou M, sauf siii est nécessaire de faire la différence) sont appliqués d'abord à un convertisseur

courant-tension 80, suivi d'un circuit de double fil-

trage 81, puis d'un échantillonneur-bloqueur 82, et

enfin d'un convertisseur analogique-numérique 83.

Un circuit de retard 89 reçoit le signal de synchroni-

sation provenant de l'alimentation de la source d'éclairs, comme déjà décrit. Il applique à ce signal un retard prédéterminé, qui est par exemple de 1 à 2 microsecondes,

selon la durée utile de l'éclair.

Pendant chaque éclair, un signal analogique est fourni par les photodétecteurs 7, sous la forme d'un courant

relié au nombre de photons qui frappent le photodétecteur.

L'étage 80 convertit ce courant en tension. La tension est filtrée par l'étage 81, de façon à être limitée

à la bande qui va de 1,6 kHz à 160 kHz. -

En d'autres termes, le circuit de double filtrage 81 réalise une constante de temps passe-bas d'environ 1 microseconde, laquelle commence l'intégration du signal

photovolta-que. La caract rstique casse-haut du fil-

tre possède une constante de temps d'environ 100 micro-

seondes, qui a pour but de compenser d'éventuelles dé-

rives.

On note Ran et Man les signaux respectifs de réference-

et de mesure avant filtrage, qui sont de nature analo-

gique.

Ces signaux sont prélevés par les échantllonneurs-

bloqueurs 82, pendant leur temps d'ouverture, qui est

défini par le convertisseur analogique/numérique 83.

Celui-ci utilise pour définir ce temps d'ouverture la sortie du circuit de retard 89, de façon à déclencher l'échantillonnage au moment voulu d'une part compte tenu de légères fluctuations qui apparaissent entre

l'éclair de lumière de mesure et le signal qui le com-

mande, d'autre part pour éliminer la queue de l'éclair.

Le fonctionnement décrit jusqu'à présent, dans lequel les voies de mesure et de référence sont entièrement séparées, peut, du moins pour certaines applications, nécessiter une résolution assez élevée du convertisseur analogique/numérique. Pour se contenter d'une résolution du convertisseur à 14 bits, il est avantageux que le convertisseur

courant-tension 80M comporte, comme décrit dans la pu-

blication déjà citée du Journal de Chimie Physique, un amplificateur différentiel d'entrée recevant d'une part le signal du photodétecteur 7M, d'autre part celui du photodétecteur 7R. La voie de mesure travaille alors sur un signal(analogique puis numérique),qui correspond à la différence entre le signal de mesure et le signal

de référence.

Les signaux nu-erë:_es SN et SR iisnonib'es en sortie

de la figure 5 sont appliqués au mic-ro-oralnateur (fi-

gure 1).

Comme prëcéde-?ent lndlqtué, celui-c. effectue e rap- port des sglqnaux S'. sur les slgna-x SR. e compare

ce rapport a une H.'a]eur obtenue dans u- état de réfé-

rence que 1 on appelle ligne de base.

Bien entendu, ce rapport est soit de la forme M/R, soit de la forme R meR

La présente invention fournit ainsi un spectrophoto-

mètre de très haute sensibilité, qui est de surcroît

capable d'opérer avec un excellent rendement et un ex-

ceilent rapport signal sur uruit, sur la base d'éclairs

monochromatiques de courte durée, environ 2 microse-

condes. L'intégration se fait pendant une durée un peu inférieure à celle de -'éclair, c'est-a-dlre environ

1 microseconde.

Un premier avantage de l'invention réside en ce qu'à

l'échelle de la microseconde, tant les réactions chi-

miques qui ont lieu dans la cuve de mesure (éventuel-

lement l'autre cuve) que l'état mécanique du système

de mesure peuvent être considérés comme figées. On s'af-

franchit ainsi de très nombreuses sources de perturba-

tions externes.

Par ailleurs, le monochromateur utilisé peut être de grande ouverture (F/2). Ceci,joint à la géométrie de l'ensemble du dispositif optique, est particulièrement favorable pour l'étude d'échantillons à forte turbidité et diffusant fortement la lumière, propriété commune à beaucoup d'échantillons Doologiques. Enfin, l'usage de fibres optiques rend la distribution de lumière

très souple.

Un autre avantage est qu'un domaine spectral allant de 250 nanomètres (ou molns) Jusqu'à au moins 800 nano- mètres peut être couvert sans changement du réseau du

monochromateur, ni des photodétecteurs, ni même du tu-

be à éclairs.

La largeur de bande de la lumière de détection dépend

essentiellement de la qualité des fentes. Il a été possi-

ble d'établir celles-ci de façon à obtenir une largeur

de bande de l'ordre de 0,5 nanomètre.

Même avec des suspensions de forte densité optique (1 à 2), on atteint aisément une sensibilité meileure

-5 -5

que 10 unités d'absorption, ou 1,5.10 en vartation de transmission. Cette sensibilité peut être améliorée

par sommation de spectre.

D'un autre côté, les faisceaux monochromatiques de me- sure et de référence sont disponibles aux extrémités de fibres optiques

(diamètre actuel 4 mm), ce qui permet l'utilisation de cuves de formes très variées et de faible volume. Il est également particulièrement aisé,

en variante de ce qui a été décrit plus haut, de tra-

vailler sur des supports solides, tels que par exemple une feuille de plante supérieure, ou un filtre Millipore, sur lequel seraient déposées des substances absorbant la lumière. Dans ce dernier cas, l'appareil pourra être utilisé en profitant de sa sensibilité maximum -5

(10- unités d'absorption) en dépit de la forte absorp-

tion et diffusion des supports utilisés (Millipore ou feuille). Par ailleurs, l'usage d'éclairs de mesure qui sont aisément déclenchés par des impulsions produites par des circuits logiques favorise l'automatisation de

l'appareil, qui est alors commandé par le mlcro-

ordinateur chargé du traitement des in-fcr-rations nume-

riques. -

Dans certalns types de réactions chiminues dits ciné-

tiques, le déclenchement d'une réaction lmpllque un mélange de deûx constituants (méthode dite "stopped flow").La résolution est donc limitée par le temps de mélange, qui est généralement de quelques millisecondes,

l'observation étant réalisée après mélange dans une cu-

ve de petites dimensions.

La difficulté que l'on rencontre alors est que les propriétés d'absorption optique du milleu tiennent à deux causes: la première cause est la réaction chimique dynamlque à examiner, ce qui constitue l'information utile, la deuxième cause est liée aux turbulences provoquées

par le mélange, ou à d'autres causes annexes, par exem-

ple variations de diffusion de la lumière, qui consti-

tuent une information qu'il est souhaitable de séparer

de la premiere.

Pour effectuer cette séparation, le seui moyen connu consiste à effectuer une double mesure différentielle, c'est-à-dire que l'on va exciter séparément, et très peu de temps après la première excitation, les deux cuves, mais cette fois avec une lumière de longueur d'onde différente de la première. On peut alors sortir le spectre spécifique de la réaction chimique cirétique ")

de toutes les vara!ons non spocl!ue.s de cetle--c.

Jusqu'à present, il faut utiliser à cez e:e deUx mo-

nochromateurs, ce qui est aussi lourd et Onéreux que

délicat à mettre eni oeuvre.

Le Demandeur a observé que la présente in.:n ion:urnit une solution beaucoup plus satisfaisante pour l'étude

de réactions chimiques cinétiques.

Pour cela, il y a lieu de munir le monochromateur de

plusieurs fentes d'entrée, qui sont excIt-.3 respecti-

vement par autant de guides de lumière et de tubes xénon,

munis de leurs alimentations.

Pour le reste, on conserve le monochromateur et surtout la liaison de sa fente de sortie vers les tuves de mesure,

ce qui procure une-simplification expérlmentale consl-

dérable. La durée de chaque éclair étant de 2 microsecondes,

il est alors possible de faire se sucider -leux $'lai-

séparés de quelques dizaines de microsecondes,temps nécessaire à l'acquisition des valeurs numériques, pour analyser séquentiellement les cuves de mesure et de

référence avec deux faisceaux de lumière monochroma-

tiques de longueurs d'ondes différentes, qui se succè-

dent à une cadence très rapide par rapport aux caracté-

ristiques dynamiques tant chimiques que mécaniques du système. La figure 6, que l'on décrira maintenant, illustre un exemple de réalisation d'un appareil selon l'invention

capable d'opérer séquentiellement sur plusieurs fais-

ceux de iongueurs d'ondes différentes.

Sur la figure 6, e rrait d axe SF reorésente Sa sur-

face focale d'entrée du réseau hoi-gracnique concave , au niveau de laquelle on va prendre les différentes

fentes d'entree.

Comme précédeient, un faisceau de flures -ciques 2-' est alimenté par une -ampe au xénor. n!-. Le rectangle actif de sa face de sortie illumi-e an Vude de lumeière

paralléléplpédlque 22-1, enslil-ce.

Dans ce mode de réalisation, c'est la face de sortie

du guide 22-1 qui constitue la fente d'entrée du mono-

chromateur, celle-ci n'étant plus réglable.

On note A la iongueur d'onde qui correspond à la posi-

ú

tlon du guide 22-' sur la surface focale SF.

A petite distance i,, et sur la même surface focale,

se trouve placée la face de sortie d'un qulde de lumiè-

re 22-2, qui conserve une forme paralléêéplpédique, mais en deux parties, à angle droit l'une de l'autre, et couplées par un renvoi d'angle 220-2. L'ensemble

est en principe monobloc, et le renvoi d'angle est sim-

plement une face à 45 , métallisée extérieurement. La face d'entrée du guide 22-2 est couplée à la surface

active de sortie d'une fiore 21-2 à d strîbution aléa-

toire alimentée par une lampe au xénon 11-2.

Il en est de même pour la lampe 11-3 qui excite les fibres distribuées aléatoîrement 21-3, alimentant à

leur tour un autre guide de lumière 22-3 à renvoi d'an-

gle 220-3. La face de sortie de celui-ci définit une troisième fente d'entrée sur la surface focale SF, à distance d3 de la fente définie par la sortie du guide

22-1.

"7

On dispose ains: d t: il S Longueurs d'ondes différen-

tes Xi, À2 et À3' pue i'on peut appo iquer au choix au monochromateur. Bien que les largeurs des fentes ne soient pas régla-

bles, il demeure possible de les faire varier en échan-

geant les guides de lumlere 22 avec d'autres dont la face de sortie est plus etroite ou plus large suivant

le cas.

Il est souhaitable que les écarts de longueurs d'ondes entre les différentes lumières de mesure utilisées ne

soient pas trop grands.

Toutefois, on peut remarquer que même si la largeur de bande obtenue sur l'un des faisceaux est Un peu plus

large que les autres, cette propriété n'est pas incompatl-

ble avec l'usage expérimental que l'on ceut faire Je

plusieurs longueurs d'ondes.

Claims (16)

Revendications.

1. Spectrophotomètre différentiel, du type comprenant deuxemplacements d'échantillons (6M, 6R), des moyens optiques (1 à 5) propres à appliquer aux deux échantil-

ions une lumière de mesure monochromatique, des photo-

détecteurs (7M, 7R), propres à recueillir sélectivement

la lumière transmise à travers chacun des deux échantil-

lons (6M, 6R), ainis que des moyens électroniques (8, 9) propres à comparer les quantités de lumière transmise ainsi mesurées par les deux photodétecteurs (7M, 7R), caractérisé par le fait que les moyens optiques (2, ) distribuent la lumière de mesure aux deux échantil-

lons (6M, 6R) de façon équilibrée statistiquement.

2. Spectrophotomètre différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques comprennent

une source d'éclairs (1) qui illuminent la fente d'en-

trée (31) d'un monochromateur (3) à réseau holographi-

que concave (35), un guide de lumière parailélépipédi-

que (50) couplé optiquement à la fente de sortie (39) du monochromateur, et suivi d'un guide en Y (51) dont les fibres optiques sont distribuées sensiblement au

hasard vers ses deux branches (52M, 52R).

3. Spectrophotomètre différentiel selon la revendica-

tion 2, caractérisé en ce que la source d'éclairs (11) est reliée à la fente d'entrée (31) du monochromateur par un faisceau (21) de fibres optiques à distribution sensiblement aléatoire, suivi d'un guide de lumière

parallélépipédique (22).

4. Spectrophotométre différentiel selon l'une des reven

dications précédentes, caractérisé en ce que le mono-

chromateur (3) est agencé avec plusieurs fentes d'entrée respectivement couplées par des faisceaux de fibres optiques à un ou plusieurs tubes éclairs, de façon que différents faisceaux de longueurs d'ondes voisines soient disponibles au choix sur la fente de sortie du monochromateur.

5. Dispositif selon la revendication 4, prise en combi-

naison avec la revendication 3, caractérisé en ce que

certains au moins des guides de lumière placés à l'en-

trée du monochromateur comportent un renvoi d'angle.

6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5,

caractérisé en ce que les fentes d'entrées du monochro-

mateur sont essentiellement définies par les guides

de lumière.

7. Spectrophotomètre différentiel selon l'une des reven-

dications précédentes, caractérisé en ce que les détec-

teurs de lumière sont des photodiodes au silicium de

grande surface, agencées pour recueillir la lumière trans-

mise sous un angle solide important et avec un rendement

quantique élevé.

8. Spectrophotomètre différentielselon la revendication 7, caractérisé en ce que les photodiodes sont sensibles à des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet au

proche infrarouge.

9. Spectrophotomètre différentiel selon l'une des reven-

dications précédentes, caractérisé en ce que les moyens

électroniques (8, 9) comprennent des moyens convertis-

seurs courant-tension, associés à des moyens de filtrage double, possédant un effet passe-bas en dessous d'une fréquence de l'ordre de 100 kHz, et un effet passe-haut

au-dessus d'une fréquence de l'ordre du kHz.

10. Spectrophotomètre différentiel selon la revendlca-

tion 9, caractérisé en ce que les moyens électroniques comprennent en outre, pour chaque voie de mesure, un échantillonneur-bloqueur associé à an convertisseur analogique/numérique, l'ensemble étant commandé à chaque fois par un circuit de retard qui reçoit une impulsion

de synchronisation en provenance de la source d'éclairs.

11. Spectrophotomètre selon l'une des revendications

9 et 10, caractérisé en ce que les moyens électroniques comportent encore des moyens de calcul (9) qui reçoivent

les sorties des deux convertisseurs analogiques/numéri-

ques pour déterminer à partir de là un rapport, lequel

est sujet ensuite à des traitements numériques compor-

tant la comparaison dudit rapport à une valeur de ce rapport dite ligne de base, qui représente un état de

référence des deux échantillons.

12. Spectrophotomètre différentiel selon l'une des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que l'un des échantillons est un échantillon de travail (M),

tandis que l'autre est un échantillon témoin (R).

13. Spectrophotomètre différentiel selon la revendica-

tion 11, prise en combinaison avec la revendication 12, caractérisé en ce que le convertisseur courant-tension associé à l'échantillon témoin travaille sur la sortie

du photodétecteur correspondant, alors que le conver-

tisseur courant-tension correspondant à l'échantillon de travail opère sur la différence entre la sortie du photodétecteur associé à l'échantillon de travail et

celle du photodétecteur associé à l'échantillon témoin.

14. Spectrophotomètre différentiel selon l'une des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que les échantillons sont en outre soumis à l'action d'une

lumière d'excitation photochlmlque.

15. Spectrophotomètre différentiel selon l'une des re-

vendications précédentes, caractérisé en ce que les échantillons sont contenus dans des cuves agencées de sorte que leurs parois forment guide de lumière,

au moins pour la lumière de mesure.--

16. Spectrophotomètre selon la revendication 15, prise en combinaison avec la revendication 14, caractérisé

en ce que ladite cuve métallique est ouverte latérale-

ment sur une fenêtre destinée à l'illumination par la

lumière d'excitation.