FR2883771A1 - Instrument et procede de synthese chimique assistee par micro-ondes - Google Patents

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Abstract

Instrument (10) et procédé de synthèse chimique assistée par micro-ondes. L'instrument (10) comporte une source de rayonnement micro-ondes (25) destinée à appliquer une énergie micro-ondes sur un échantillon, une cavité de micro-ondes (27) en communication par longueur d'ondes avec la source destinée à maintenir l'échantillon au cours de l'application d'énergie micro-ondes, et une source de rayonnement sensiblement monochromatique (40) en communication électromagnétique avec la cavité destinée à appliquer une lumière sensiblement monochromatique sur l'échantillon. L'instrument (10) comporte en outre un détecteur (50) positionné de manière à détecter une diffusion Raman de la lumière provenant de la source monochromatique (40) par l'échantillon, et un dispositif de commande en communication par signaux avec la source d'énergie micro-ondes et le détecteur (50) de diffusion Raman destiné à modérer l'application d'énergie micro-ondes sur l'échantillon sur la base de la diffusion Raman détectée.

Description

INSTRUMENT ET PROCEDE DE SYNTHESE CHIMIQUE ASSISTEE PAR
MICRO-ONDES
La présente invention concerne un instrument et un procédé de synthèse chimique assistée par micro-ondes ou hyperfréquences, et en particulier concerne la mesure et la commande des réactions chimiques en cours assistées par micro-ondes.
Tel que cela est généralement reconnu dans l'art de la chimie, de nombreuses réactions chimiques peuvent être déclenchées ou accélérées par augmentation de la température (c'est-à-dire, chauffage) des réactifs. Par conséquent, le fait d'accomplir des réactions chimiques à des températures élevées (c'est-à-dire au--dessus de la température ambiante) constitue une étape normale de nombreux procédés chimiques.
Le bénéfice de l'utilisation de l'énergie micro-ondes pour élever la température d'une réaction chimique est bien connu. Par exemple, le Brevet U. S. No. 6 753 517 à Jennings décrit un instrument de synthèse chimique assistée par micro-ondes utilisant l'énergie commandée des micro- ondes.
De plus, de récentes mises au point ont utilisé de manière accrue l'énergie micro-ondes pour déclencher, accélérer, ou maintenir des réactions chimiques en plus de l'élévation de température. Dans certains cas, les micro-ondes sont impliquées de manière utile pendant que les températures réactionnelles restent modérées, ou même froides (c'est-àdire, à ou en dessous d'une température ambiante).
La surveillance de divers paramètres de l'étude chimique assistée par micro-ondes peut être utile pour commander l'entrée de l'énergie microondes. Par exemple, le Brevet U. S. No. 5 972 711 à Barclay et al., décrit un procédé destiné à des études chimiques assistées par micro- ondes qui comprend l'étape consistant à surveiller la température d'un mélange de réactifs pour maintenir les réactifs à ou près d'une température prédéterminée.
Dans un autre exemple, le Brevet U. S. No. 6 227 041 à Colins et al., décrit un procédé et un appareil destinés à mesurer la teneur en substances volatiles des échantillons. Le procédé comprend l'étape consistant à surveiller le poids et la température de l'échantillon au cours de l'application de l'énergie micro-ondes. Le procédé comporte en outre l'étape consistant à modérer l'application de la puissance microondes sur la base de la température mesurée pour empêcher la combustion de l'échantillon.
Dans encore une autre expression, le Brevet U. S. No. 6 288 379 à Greene et al., décrit un procédé destiné à utiliser une puissance continuellement variable dans l'étude chimique assistée par micro-ondes. Le procédé comporte les étapes consistant à mesurer et modérer le cycle de service de la puissance micro-ondes appliquée sur la base d'un paramètre sélectionné mesuré d'un échantillon au niveau d'un point de réglage prédéterminé.
Les paramètres mesurés préférés comprennent la température et la pression.
Les instruments et procédés susmentionnés sont exemplaires pour ce qui est de leurs applications respectives. De surcroît, tous tirent avantage d'un mécanisme de commande par rétroaction. Le mécanisme de commande par rétroaction est basé sur au moins un paramètre mesuré, qui peut comprendre la température, la pression, la teneur en substance volatile, ou le poids, à titre d'exemple. Ces paramètres sont mesurés au moyen d'instruments standard, par exemple, un pyromètre infrarouge destiné à mesurer la température et un capteur de pression destiné à mesurer la pression.
Les procédés chimiques sont habituellement évalués par rapport aux contaminants et au rendement d'un produit. A cet égard, les spectromètres sont bien connus pour évaluer et surveiller les échantillons ou les études chimiques, ou les deux pour ces critères et d'autres. Définie en terme général, la spectroscopie est l'étude physique de la théorie et de l'interprétation des interactions entre la matière et ur. rayonnement électromagnétique. Le rayonnement électromagnétique peut être considéré comme un flux d'énergie appelé quantas ou photons. La quantité d'énergie dans caque quantum détermine la longueur d'ondes du rayonnement.
Les électrons en orbite autour des atomes occupent habituellement an "état fondamental", ou le plus faible niveau d'énergie. La liaison entre les atomes forme une molécule qui se traduit par un nouveau niveau d'énergie à l'état fondamental d'un électron. Dans certaines conditions, un électron peut acquérir de l'énergie qui l'élève jusqu'à un niveau d'énergie supérieur (c'est-à- dire, un "état excité"). Les électrons dans les atomes, les groupements fonctionnels, ou les molécules peuvent changer de niveau d'énergie uniquement lorsque des quantas distincts de rayonnement sont absorbés ou émis par les molécules. La fréquence du rayonnement absorbé ou émis est directement fonction du changement intervenu dans l'énergie de l'électron. Ainsi, la spectroscopie est la mesure des spectres d'absorption et d'émission. Du fait que les quantités d'énergie absorbées ou émises sont caractéristiques d'atomes, molécules, et groupements fonctionnels particuliers, la spectroscopie est largement utilisée pour identifier et quantifier les compositions chimiques.
Sur la base de la longueur d'onde, d'une technique, ou des deux, de nombreux types différents de spectroscopie sont scientifiquement utiles. Ces types de spectroscopie comprennent, mais ne sont pas limités à, la spectroscopie par absorption dans l'infrarouge (IR), la spectroscopie fluorescente, la spectroscopie ultraviolette/visible (UV/VIS), et la spectroscopie Raman.
La demande de Brevet U. S. No. 2003/0116027 à Bruils décrit un procédé destiné à surveiller un procédé de lyophilisation utilisant la spectroscopie. La demande de Brevet Bruils décrit que l'analyse spectroscopie en temps réel du procédé de lyophilisation peut être utilisée pour commander par rétroaction le procédé sur la base des valeurs de mesure extraites, telles que la température et le taux d'humidité.
La synthèse chimique assistée par micro-ondes est habituellement accomplie dans des récipients à réaction scellés. Ceci constitue un problème pour ce qui est de la mesure de certains paramètres de réaction, par exemple, la formation de contaminants par l'intermédiaire de reactions parallèles et le rendement du produit. Actuellement, les techniques assistées par micro-ondes doivent surveiller ces paramètres et d'autres au moyen d'une technique effractive ou au moins dans certains contacts physiques avec le récipient ou son contenu (par exemple, un capteur de pression). Voir le Brevet U. S. No. 6 630 652 à Jennings, par exemple.
La spectroscopie est un procédé utile pour surveiller de manière non effractive une réaction en cours. Le récipient à réaction est habituellement fabriqué à partir d'un matériau transparent aux microondes tel que du verre ou du quartz. Cependant, certains procédés de spectroscopie, tels que la spectroscopie UV/VIS et IR, sont entravés par le verre c.0 fait que le verre forme une barrière opaque à ces longueurs d'ondes. Donc, lorsque les récipients en verre sont souhaités ou nécessaires, les procédés de spectroscopie UV et IR sont moins intéressants et potentiellement inutiles. La spectroscopie Raman est une alternative intéressante aux spectroscopies UV/VIS et IR à cet égard du fait que le verre est sensiblement transparent à bon nombre des fréquences habituellement utilisées pour la spectroscopie Raman.
En bref, la spectroscopie Raman mesure l'énergie des 20 vibrations des molécules de manière différente que d'autres procédés spectroscopiques. La spectroscopie Raman est basée sur la mesure de la diffusion inélastique, par opposition à élastique, des photons par les molécules. La diffusion survient après une collision entre l'énergie photonique incidente provenant d'une source d'énergie, telle qu'un laser, et une molécule. La diffusion élastique des photons survient lorsque l'énergie photonique incidente est égale à l'énergie des photons diffusés dans toutes les directions après la collision. Dans ce cas, les photons diffusés ne donnent aucune information sur la molécule.
Par contraste, la diffusion inélastique survient lorsque des photons incidents gagnent ou perdent de l'énergie lors de la collision avec une molécule. Dans ce cas, les photons diffusés donnent des informations sur la molécule. Un examen approfondi de la théorie et de la pratique de la spectroscopie Raman est présenté dans le document Handbook of Vibrational Spectroscopy (John Chalmers et Pet:er Griffiths, éd. 2001) et le document Handbook of Raman Spectroscopy: From the Research Laboratory to the Process Line (Ian R. Lewis et Howell G. M. Edwards, éd., 2001).
La spectroscopie Raman a été utilisée dans des techniques assistées par micro-ondes jusqu'à une certaine limite. Stellman et al., ont utilisé la spectroscopie Raman pour surveiller le durcissement par micro-ondes d'une résine époxy durcie au moyen d'une amine en fonction du temps (Christopher M. Stellman et al., In Situ Spectroscopie Study of Microwave Polymerization, Applied Spectroscopy, (49)3, 1995). Dans cette étude, les spectres Raman de la résine époxy durcie par micro-ondes ont été prélevés de manière continue in situ pendant un temps de cuisson de 2, 4 minutes. Les spectres prélevés après cet Intervalle de temps (c'est-à-dire, une exposition plus longue) ont été écartés du fait que l'échantillon s'enflammait à cause de l'accumulation excessive de chaleur.
Plus récemment, Pivonka et Empfield ont intégré une sonde Raman à un synthétiseur de micro-ondes disponible dans le commerce afin de mettre à disposition une rétroaction spectrale en temps réel provenant des réactions organiques pour une analyse in situ en temps réel du rendement, des mécanismes, et de la cinétique dans les réactions assistées par microondes (Don E. Pivonka et James R. Empfield, Real-Time in situ Raman Analysis of Microwave-assisted Organic Reactions, Applied Spectroscopy, (58)1, 2004).
Le problème, qui persiste à la lumière de ces références, est l'absence d'un instrument et d'un procédé commercialement viable destinés à commander par rétroaction en temps réel et de manière non effractive une synthèse chimique assistée par micro-ondes.
Logiquement, un autre problème consécutif est l'absence d'un instrument et d'un procédé destinés à auto-optimiser une synthèse chimique assistée par micro--ondes sur la base d'une analyse spectrale en temps réel et non effractive.
Donc, un objet de la présente invention consiste à mettre à disposition un instrument de synthèse chimique assistée par micro-ondes qui irradie un échantillon au moyen d'un rayonnement électromagnétique (par exemple, un rayonnement provenant d'une source laser) et un détecteur destiné à détecter au moins une certaine partie du rayonnement provenant de l'échantillon.
Un autre objet de la présente invention consiste à mettre à disposition un instrument de synthèse chimique assistée par micro-ondes qui reçoive et analyse des données provenant du détecteur de rayonnement et commande l'application de l'énergie micro-ondes sur la base des données reçues.
Un autre objet de la présente invention consiste à mettre à disposition un instrument de synthèse chimique assistée par micro-ondes qui optimise les conditions de réaction en temps réel (par exemple, l'application de l'énergie micro-ondes) sur la base des données reçues et analysées.
Un autre objet de la présente invention consiste à mettre à disposition un procédé de synthèse chimique assistée par micro-ondes qui optimise automatiquement les conditions de réaction en temps réel en mesurant de manière non effractive les photons diffusés au moyen d'un détecteur de rayonnement et en commandant l'entrée d'énergie micro-ondes sur la base des mesures.
L'invention concerne un appareil de synthèse chimique assistée par microondes comprenant une source de rayonnement micro-ondes destinée à appliquer une énergie micro-ondes sur un échantillon, une cavité de microondes en communication par longueur d'ondes avec la source pour maintenir l'échantillon au cours de l'application de l'énergie micro-ondes, une source de rayonnement sensiblement monochromatique en communication électromagnétique avec ladite cavité pour appliquer une lumière sensiblement monochromatique sur l'échantillon, un détecteur positionné pour détecter une diffusion Raman de la lumière depuis ladite source monochromatique par l'échantillon, et un dispositif de commande en communication par signaux avec ladite source d'énergie micro-ondes et ledit détecteur de diffusion Raman pour modérer l'application de l'énergie micro-ondes sur l'échantillon sur la base de la diffusion Raman détectée.
L'invention concerne en outre un procédé de synthèse chimique assistée par micro-ondes. Le procédé comprend les étapes cons=istant à appliquer une énergie micro-ondes sur les réactifs de l'échantillon, propager un rayonnement sensiblement monochromatique jusqu'aux réactifs de l'échantillon, mesurer la diffusion Raman de la lumière monochromatique depuis l'échantillon, et modérer l'application de l'énergie micro-ondes sur l'échantillon sur la base de la diffusion Raman mesurée.
Les objets et avantages précédents et d'autres de l'invention et la manière dont ils sont réalisés seront mieux compris sur la base de la description détaillée suivante prise conjointement avec les dessins annexés, donnés à titre d'exemple et sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective d'un ensemble instrument-récipient selon la présente invention.
La figure 2 est une vue en perspective partielle du récipient à réaction micro-ondes et de la cavité micro-ondes de la présente invention.
La figure 3 est une vue en perspective illustrant un 15 récipient à réaction représentatif.
La figure 4 est une vue en perspective de l'instrument illustrant les composants internes.
La figure 5 est une vue en perspective de l'instrument illustrant d'autres composants internes.
La figure 6 est une vue en perspective arrière de l'ensemble instrumentrécipient selon la présente invention.
Dans un premier mode de réalisation, l'invention est un instrument 10 (figure 1) destiné à accomplir une synthèse chimique assistée par microondes. L'instrument 10 comprend un logement 11 d'appareil à micro-ondes et un logement 12 de détecteur Raman, habituellement fabriqué à partir d'un plastique ou d'un métal renforcé. Les logements 11, 12 protègent les composants internes ici décrits. Au moins un des logements 11, 12 est ventilé avec des ouvertures 13 à fentes pour faciliter le refroidissement des composants internes. La figure 1 illustre en outre d'autres dispositifs courants d'un instrument 10, tels qu'un interrupteur d'alimentation 14, un affichage d'état 15, et un récipient à réaction transparent aux micro-ondes 20. Le récipient à réaction 20 est entouré par un atténuateur 16 et peut être alimenté au moyen d'un tube d'alimentation 17.
L'atténuateur 16 empêche l'énergie micro-ondes de s'échapper du récipient 20.
La figure 2 est une vue en perspective partielle du logement 11 d'appareil à micro-ondes et de divers composants internes dans celui-ci. En bref, la figure 2 illustre une source de micro-ondes 25, un guide d'ondes 26, une cavité de micro-ondes 27, un moteur d'agitation 28, un ventilateur 30, son logement associé 31, et un capteur de pression 33. Le récipient à réaction 20, le tube d'alimentation 17, les divers composants électroniques 35 destinés à commander, par exemple, l'affichage d'état 15 sont également représentés.
Les sources de micro-ondes utiles sont bien connues des hommes du métier et peuvent comprendre des magnétrons, des klystrons, et des dispositifs à l'état solide. Dans l'instrument 10, les micro-ondes se déplacent de la source 25 à la cavité de micro-ondes 27 par l'intermédiaire du guide d'ondes 26. L'échantillon dans le récipient à réaction 20 absorbe l'énergie micro-ondes lorsque].'énergie entre dans la cavité de microondes 27. De cette manière, la cavité de micro-ondes 27 est en communication par micro-ondes avec la source des micro-ondes 25.
Le guide d'onde 26 est construit à partir d'un matériau qui réfléchit les micro-ondes vers l'intérieur et les empêche de s'échapper de manière non souhaitable.
Habituellement, ce matériau est un métal approprié qui, en plus de sa fonction de confinement des micro-ondes, peut être choisi sur la base de son coût, de sa résistance, de son aptitude au formage, de sa résistance à la corrosion, ou de tout autre critère approprié ou souhaité quelconque. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, les parties métalliques du guide d'ondes 26 et de la cavité sont formées à partir d'acier inoxydable.
Comme cela est le cas avec d'autres types de chimie, il peut être avantageux dans la chimie organique assistée par micro-ondes d'agiter de mélanger l'échantillon dans le récipient à réaction 20. Ceci est accompli, par exemple, au moyen d'un moteur 28 pour entraîner un agitateur magnétique, tel que celui décrit dans la publication de Brevet U. S. No. 2003/0170149 à Jennings.
Le ventilateur 30 sert à refroidir les parties de composants électroniques et de source de micro-ondes 25 de l'instrument 10, en plus de contribuer à empêcher la cavité des micro-ondes 27 de surchauffer en présence des réactions chimiques en cours. A part le fait d'avoir la capacité de refroidir de manière appropriée l'instrument et la cavité, la nature ou le choix du ventilateur 30 peuvent être laissés à la discrétion individuelle des hommes du métier. Dans un mode de réalisation habituel, le ventilateur 30 est monté dans un logement 31 pour diriger l'écoulement d'air d'un côté à l'autre des composants électroniques et de la source des micro-ondes 25 pour les refroidir de manière plus efficace.
La figure 3 illustre un récipient. à réaction exemplaire 20 destiné à maintenir l'échantillon dans la cavité de micro--ondes 27. Le récipient à réaction 20 peut être un dispositif en forme de tube à essai, cependant, il peut également être un ballon à fond rond ou un autre conteneur approprié. On notera que le récipient 20 représenté sur la figure 3 est illustratif, et quand aucune façon il ne limite l'invention à toute forme ou volume spécifique quelconque en ce qui concerne le récipient 20. Le récipient à réaction 20 est en outre formé à partir d'un matériau transparent aux micro-ondes. Les matériaux transparents aux micro-ondes appropriés sont bien connus des hommes du métier et comprennent, par exemple, du verre, du quartz et du verre borosilicaté tel que PYREX . Dans les modes de réalisation préférés, le récipient à réaction 20 a un volume (parfois appelé "volume utile") d'au moins environ 0,25 millilitres, ce qui est une taille convenable pour des expériences sur plan de travail.
Tel que cela est également représenté sur la figure 3, le récipient à réaction 20 peut comprendre un raccord 21 pour le tube d'alimentation 17. Le raccord 21 comprend en outre des moyens de scellement appropriés 22 (par exemple, des joints toriques fabriqués à partir d'un materiau chimiquement inerte) pour empêcher que l'échantillon ne s'échappe. Des raccords appropriés sont connus des hommes du métier et comprennent, par exemple, des raccords filetés, des robinets, des raccords rapides et des colliers de serrage.
La figure 4 illustre des parties en commun avec la figure 2 ainsi que d'autres parties internes de l'instrument 10. Des attaches de retenue 29 maintiennent en place la partie supérieure du logement 11 de l'instrument. La cavité de micro-ondes 27, les ouvertures 13 à fentes, et un interrupteur d'alimentation 14 sont également illustrés. De surcroît, un logement 39 de dispositif Raman renferme une source de rayonnement sensiblement monochromatique 40. La source 40 est en communication électromagnétique avec la cavité de micro- ondes 27 pour appliquer une lumière sensiblement monochromatique sur l'échantillon. Dans un mode de réalisation préféré, la source de rayonnement monochromatique 40 est un laser. Le logement 39 de dispositif Raman renferme également un détecteur Raman 50 positionné de manière à détecter une diffusion Raman de la lumière, provenant de la source monochromatique 40, par l'échantillon. Le détecteur Raman peut être, à titre d'exemple, un tube photomultiplicateur ou un dispositif à couplage de charges (CCD).
La figure 4 illustre en outre divers fils électriques 36 et connecteurs électriques 37. Pour ce qui est de l'instrument et du procédé de l'invention, les fils électriques 36 et les connecteurs 37 sont connus des hommes du métier pour le fonctionnement de routine de l'instrument 10 et ne seront pas ici examinés plus en détail.
L'instrument 10 est commandé par un dispositif de commande (non représenté) en communication par signaux avec la source d'énergie microondes 25 et. le détecteur Raman 50 pour modérer l'application de l'énergie micro-ondes sur l'échantillon sur la base de la diffusion Raman détectée. Par exemple, le dispositif de commande est un microprocesseur en communication électronique avec la source d'énergie micro-ondes 25 et le détecteur Raman 50.
De préférence, le microprocesseur commande la source de rayonnement microondes 25 pour appliquer une énergie micro-ondes pulsée. De cette manière, l'application pulsée de l'énergie micro-ondes permet d'éviter une surchauffe de l'échantillon.
Les microprocesseurs sont bien connus dans cet art et d'autres pour commander de nombreux types de dispositifs électroniques et mécaniques. Des récents progrès dans l'application des techniques physiques à l'étude des semi-conducteurs et du traitement du silicium à ces dispositifs permettent d'obtenir des microprocesseurs plus petits et plus puissants pour commander des machines et des procédés complexes. Les discussions comprennent, mais ne sont pas limitées aux documents Dorf, The Electrical Engineering Handbook, Second Ed. 1997 CRC Press LLC; et Wolf, S., Silicon Processing for the VLSI Era, (1990) Lattice Press.
Pour ce qui est de l'instrument et du procédé de la présente invention, le microprocesseur peut exécuter un programme définissant des paramètres de préréglage ou répondre à une entrée de l'opérateur en temps réel. Par exemple, l'instrument et le procédé de la présente invention peuvent être utiles comme dispositif de commande de la qualité pour mesurer les caractéristiques d'un échantillon sur la base des paramètres définis par un programme informatique. Les écarts par rapport aux paramètres de préréglage inciteront le microprocesseur à modérer l'entrée d'énergie de micro-ondes pour ramener l'échantillon dans les spécifications. En variante, un opérateur peut effectuer en temps réel des modifications "à la volée" sur l'application d'énergie micro-ondes sur la base de la diffusion Raman détectée.
Le microprocesseur peut en outre modérer l'application d'énergie microondes pour ce qui est du capteur de pression 33 (voir figure 2). En se référant aux figures 2 et 4, le capteur de pression 33 est en communication par pression avec l'échantillon dans le récipient à réaction 20 et en communication électronique avec le dispositif de commande pour modérer l'application des micro-ondes sur la base de la pression dans le récipient à réaction 20 exercée par l'échantillon.
Dans un autre mode de réalisation, l'instrument 10 est un instrument de synthèse chimique assistée par micro-ondes comprenant une source de microondes 25, un moyen destiné à commander l'application de l'énergie microondes provenant de la source de micro-ondes 25, un récipient transparent aux micro-ondes 20 destiné à maintenir un échantillon en communication par longueur d'ondes avec la source de micro-ondes 25, une source d'énergie laser 40 autour du récipient 20 destinée à appliquer un rayonnement à lumière amplifié dans l'échantillon, et un détecteur 50 positionné autour du récipient 20 pour détecter une diffusion Raman de la lumière, provenant de la source d'énergie laser 40, par l'échantillon.
Le moyen destiné à commander l'application d'énergie micro-ondes comprend un microprocesseur (non représenté) en communication électronique avec la source de micro-ondes 25 et le détecteur Raman 50 pour recevoir et analyser des données provenant du détecteur 50 et commander simultanément la source de micro-ondes 25. Ainsi, l'entrée d'énergie micro-ondes dans l'échantillon est commandée et optimisée d'une manière commandée par rétroaction.
La source d'énergie laser 40 peut générer une lumière ultraviolette (UV), une lumière visible (VIS), une lumière infrarouge (IR) ou une lumière quasi- infrarouge (NIR'. Les hommes du métier constateront que la lumière UV se réfère à la plage de longueur d'ondes de lumière comprise entre environ 200 nanomètres (nm) et 400 nm, la lumière VIS se réfère à la plage de longueur d'ondes d'environ 380 nm à 780 nm, et la lumière IR se réfère à la plage de longueur d'ondes d'environ 0,75 micromètres (pm) à 1 000 pm. La lumière NIR se réfère au spectre infrarouge qui est le plus proche de la lumière VIS (par exemple, environ 785 nm). Dans un mode de réalisation préféré, la source d'énergie laser 40 est une diode laser qui génère une lumière NIR d'une longueur d'ondes d'environ 785 nanomètres. La source d'énergie laser 40 peut également être en communication électronique avec le microprocesseur.
L'instrumert 10 peut en outre comporter un capteur de température (illustré de manière simplifié au niveau du numéro de référence 32 sur la figure 2) autour du récipient à réaction 20 pour mesurer la température de l'échantillon. Dans un mode de réalisation. habituel, le capteur de température 32 est choisi à partir du groupe constitué de détecteurs infrarouge, de détecteurs ultraviolets et, de capteurs à fibres optiques. De préférence, le capteur de température 32 est en communication électronique avec le microprocesseur. Par conséquent, le microprocesseur commande l'application de micro-ondes depuis la source de micro-ondes 25 sur la base de la température mesurée.
La figure 5 illustre l'instrument d'une manière similaire à la figure 4, mais avec la cavité de micro- ondes retirée pour montrer le récipient à réaction 20, un tube optique 42, et une embase radiofréquence 46.
L'embase radiofréquence 46 empêche l'énergie micro-ondes de quitter la cavité de micro-ondes 27 (voir figure 4), de manière similaire à l'atténuateur 16 susmentionné. La figure 5 illustre en outre un support 41 de miroir destiné à maintenir un miroir (non représenté), un moyen d'ajustement 43 destiné à concentrer le laser sur l'échantillon par l'intermédiaire du tube optique 42, un moteur d'entraînement 44 destiné à ajuster un support 47 de récipient à réaction pour loger des récipients de diverses tailles dans la cavité de micro-ondes 27, et une carte de circuit imprimé 45 destinée à commander de manière électronique le moteur d'entraînement 44.
Habituellement, la source laser 40, le miroir (non représenté), le support 41 de miroir, le tube optique 42, un réseau (non représenté), et le détecteur Raman 50 sont obtenus sous la forme d'une unité formant bloc, telle que le spectromètre Advantage NIR Raman fourni par DeltaNu" à Laramie, Etat du Wyoming, Etats-Unis. En termes généraux, les hommes du métier comprendront que le réseau doit être un spectroscope qui utilise un réseau de transmission ou de réflexion pour disperser la lumière. Parailleurs, le réseau comporte habituellement une fente et un moyen de concentration (tel qu'un miroir à réseau) pour concentrer la lumière dispersée par le réseau en lignes spectrales. Dans un mode de réalisation préféré, la lumière est concentrée sur un détecteur CCD.
La figure 6 est une vue en perspective arrière des logements 11, 12 de l'instrument qui illustrent certains éléments supplémentaires. La figure 6 illustre le ventilateur de refroidissement 30, l'interrupteur d'alimentation 14 et un connecteur 34 pour le capteur de pression 33 précédemment décrit. La figure 6 illustre en outre une entrée 66 de cordon d'alimentation et des connexions pour des dispositifs périphériques afin de tirer avantage de la pleine capacité de l'instrument. Dans des modes de réalisation, par exemple, l'instrument comporte un port parallèle 67, un port série 68, et un port USB (universal serial bus) 69 pour recevoir une entrée provenant. des autres dispositifs électroniques et mettre à disposition une sortie vers ceux-ci, en particulier des dispositifs à base de microprocesseurs, tels que des ordinateurs personnels, des assistants numériques personnels et d'autres dispositifs appropriés.
Selon un autre aspect, l'invention est un procédé de synthèse chimique assistée par micro-ondes qui comprend les étapes consistant à appliquer une énergie micro-ondes sur des réactifs d'échantillon, propager un rayonnement sensiblement monochromatique vers les réactifs d'échantillon, mesurer la diffusion Raman de la lumière monochromatique depuis l'échantillon, et modérer l'application d'énergie micro-ondes sur l'échantillon sur la base de la diffusion Raman mesurée. Dans un mode de réalisation préféré, les étapes consistant à appliquer, propager, mesurer et modérer sont simultanément commandées par un microprocesseur.
A titre d'exemple, et en ce qui concerne l'instrument de l'invention, le procédé comprend l'étape consistant à mesurer et analyser la diffusion Raman de la lumière depuis l'échantillon avant, au cours, et après l'application d'énergie micro-ondes sur l'échantillon. Une impulsion d'énergie laser provenant de la source laser se projette sur le miroir, par l'intermédiaire du tube optique, et dans l'échantillon. La diffusion Raman de lumière consécutive est rassemblée par l'intermédiaire du tube optique, sur le réseau, et dans un détecteur CCD.
Les données brutes provenant du détecteur sont lues par le microprocesseur. L'entrée d'énergie micro-ondes est modifiée sur la base de la rétroaction en temps réel provenant de l'échantillon et par rapport aux paramètres de programme du microprocesseur. Les microprocesseurs stockent en outre les informations mesurées (c'est-à-dire, les données) au format électronique. De cette manière, les conditions de réaction sont optimisées sur la base des données en temps réel provenant du détecteur Raman.
Les paramètres de programme du microprocesseur comprennent, mais ne sont pas limités à, la surveillance et la modération de la température, du temps de réaction, de la pression, de l'appauvrissement en réactifs d'échantillon, du pourcentage de réactif d'échantillon transformés en produits, et la formation de sous-produits non voulue. Ainsi, l'étape consistant à modérer l'application d'énergie micro-ondes sur l'échantillon prend également en considération les mesures en temps réel des paramètres indiqués pour optimiser automatiquement les conditions de réaction par rapport aux paramètres ci-dessus afin d'obtenir un résultat souhaité.
La surveillance de la température des réactifs d'échantillon peut être accomplie au moyen d'un capteur de température choisi dans le groupe constitué de détecteurs infrarouge, de détecteurs ultraviolets et de capteurs à fibres optiques. Par conséquent, la modération de l'entrée d'énergie micro-ondes peut se faire sur la base de la température surveillée.
En ce qui concerne l'instrument de l'invention, l'étape consistant à appliquer une énergie micro-ondes sur les réactifs d'échantillon comprend l'étape consistant à appliquer l'énergie micro-ondes sur les réactifs d'échantillon dans un récipient à réaction transparent aux micro-ondes. Par ailleurs, l'application d'énergie micro-ondes peut se faire par impulsion pendant des durées variables en fonction du volume de l'échantillon. Ainsi, la surchauffe de l'échantillon est évitée. On peut en outre éviter la surchauffe de l'échantillon eu refroidissant activement l'échantillon (c'est-à-dire, en refroidissant l'échantillon au moyen du ventilateur susmentionné).
L'étape consistant à propager un rayonnement sensiblement monochromatique vers les réactifs d'échantillon comprend l'étape consistant à propager une lumière laser vers l'échantillon. Dans un mode de réalisation préféré, la longueur d'ondes de la lumière laser est d'environ 785 nanomètres.
Afin d'obtenir de l'échantillon les meilleures données possibles, le procédé de l'invention comprend en outre l'étape consistant à concentrer le laser sur l'échantillon. L'étape de concentration peut être accomplie manuellement ou automatiquement. La distance de concentration est étalonnée avec une référence standard, habituellement du cyclohexane. D'autres références standard sont connues par les hommes du métier. Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque le foyer est légèrement à l'intérieur de la paroi du récipient à réaction.
On obtient la mesure de la diffusion Raman de 30 lumière monochromatique depuis l'échantillon en rassemblant et analysant la lumière diffusée depuis l'échantillon l'aide du détecteur et du microprocesseur. Tel que précédemment mentionné, ledit détecteur peut être un tube photomultiplicateur ou un CCD.
Une intense irradiation au moyen de la lumière peut entraîner une fluorescence qui est plus forte que le signal Raman. Ainsi, l'étape consistant à analyser la lumière diffusée depuis l'échantillon peut comprendre l'étape consistant à soustraire des informations de fluorescence. Dans certaines circonstances, les données de fluorescence contiennent des informations chimiques utiles (par exemple, sur les minéraux). Dans d'autres circonstances oh les informations de fluorescence sont inutiles ou interfèrent avec les données Raman, le microprocesseur peut être programmé pour soustraire les informations de fluorescence.
Le microprocesseur met à jour au moins une fois par seconde les mesures de diffusion Raman pour générer un spectrogramme. Habituellement, le spectrogramme est mémorisé au format électronique dans une mémoire associée au microprocesseur et affiché sur un dispositif périphérique tel qu'un moniteur d'ordinateur. Les spectrogrammes sont calculés et générés par les microprocesseurs au moyen de la géométrie Euclidienne, en particulier une formule d'ajustement de courbe non linéaire. En bref, la formule d'ajustement de courbe non linéaire mesure le changement au niveau de chaque point sur les axes X et Y. Pour un examen approfondi des principes Euclidiens, le lecteur est invité à se référer à un texte approprié en la matière rédigé par Posamentier (Alfred S. Posamentier, Advanced Euclidean Geometry: Excursions for Secondary Teachers and Students, 2005, Key Curriculum Press). Cependant, la technique est bien comprise par les hommes du métier.
Tel que précédemment mentionné, le procédé de l'invention prévoit des modifications en temps réel en ce qui concerne l'entrée d'énergie microondes par rapport aux paramètres de programme du microprocesseur. Ceci comprend l'étape consistant à ajouter des liquides ou des solides si nécessaire avant, pendant, et après le procédé. A titre d'exemple non limitatif, le procédé peut en outre comprendre l'étape consistant à ajouter un réactif de compilation à l'échantillon pour faciliter la transformation des réactifs d'échantillon en produits. Un autre exemple comprend l'étape consistant à ajouter un réactif de catalyse à l'échantillon pour accélérer la vitesse de la réaction. Pour ce qui est de l'instrument de l'invention, l'ajout de liquides ou de solides et accompli au moyen du tube d'alimentation susmentionné.
Les hommes du métier constateront que pour ce qui est de l'instrument de l'invention, le procédé permet de soustraire des spectres de ligne de base immédiatement avant ou après l'ajout de liquides ou de solides. De cette manière, tout effet quelconque provoqué par l'addition de liquides ou de solides peut être mesuré à partir d'une ligne de base (remise à zéro). De plus, l'instrument et le procédé de la présente invention peuvent être combinés de manière utile et satisfaisante à d'autres techniques et systèmes avantageux dans le tube chimique assisté par micro- ondes. Ceux-ci peuvent comprendre, mais n'y sont pas limités, des systèmes et des techniques d'écoulement continu tels que ceux exposés dans le Brevet U. S. cédé en commun No. 6 867 400; et des systèmes et techniques de synthèse (ou d'autres réactions) utilisant des matériaux de départ hétérogènes ou extrêmement visqueux tels que l'instrument et le procédé exposés dans la publication de Brevet U. S. cédée en commun No. 2005/0045625A1.
Dans la description et sur les dessins, les modes de réalisation habituels et préférés de l'invention ont été décrits. Les termes spécifiques ont été utilisés uniquement dans un sens général et descriptif, et non à des fins de limitation.

Claims (33)

REVENDICATIONS
1. Instrument (10) de synthèse chimique assistée par micro-ondes, comprenant.
une source de rayonnement micro-ondes (25) destinée à appliquer une énergie micro-ondes sur un échantillon; une cavité de micro-ondes (27) en communication par longueur d'ondes avec ladite source (25) destinée à maintenir l'échantillon au cours de l'application de l'énergie microondes; une source de rayonnement sensiblement monochromatique (40) en communication électromagnétique avec ladite cavité (27) destinée à appliquer une lumière sensiblement monochromatique sur l'échantillon; un détecteur (50) positionné de manière à détecter une diffusion Raman de lumière provenant de ladite source monochromatique (40) par l'échantillon; et un dispositif de commande en communication par signaux avec ladite source d'énergie micro-ondes (25) et ledit détecteur de diffusion Raman (50) destiné à modérer l'application d'énergie micro-ondes sur l'échantillon sur la base de la diffusion Raman détectée.
2. Instrument (10) selon la revendication 1, comprenant en outre un guide d'ondes (26) entre ladite source (25) et ladite cavité (27).
3. Instrument (10) selon la revendication 1, dans lequel ledit détecteur (50) est un dispositif à couplage de 30 charges.
4. Instrument (10) selon la revendication 1, dans lequel: ladite source (25) comprend un laser pour appliquer un rayonnement à lumière amplifié dans l'échantillon; et ledit dispositif de commande comprend un microprocesseur en communication électronique avec ladite source de microondes (25) et ledit détecteur (50) pour recevoir et analyser des données provenant dudit détecteur et commander simultanément ladite source de micro-ondes (25) de manière commandée par rétroaction pour optimiser l'entrée d'énergie micro-ondes dans l'échantillon; ledit instrument comprenant en outre un récipient (20) transparent aux micro-ondes destiné à maintenir un échantillon en communication par longueur d'ondes avec ladite source laser (40).
5. Instrument (10) selon la revendication 4, dans lequel ledit microprocesseur commande ladite source de rayonnement micro--ondes (25) pour appliquer une énergie micro-ondes pulsée.
6. Instrument (10) selon la revendication 4, dans lequel ledit récipient (20) transparent à micro-ondes comprend en outre un raccord (21) destiné à s'ajuster, afin de la fermer, sur une ouverture dans ledit récipient (20), ledit raccord (21) ayant au moins un tube d'alimentation (17) fixé sur celui-ci pour ajouter des liquides ou des solides dans ledit échantillon.
7. Instrument (10) selon la revendication 4, comprenant en outre un capteur de pression en communication par pression avec ledit échantillon dans ledit récipient (20) et en communication électronique avec ledit dispositif de commande pour modérer l'application des micro-ondes sur la base de la pression dans le récipient (20) exercée par l'échantillon.
8. Instrument (10) selon la revendication 4, dans lequel ladite source d'énergie laser (40) génère une lumière à partir du groupe constitué d'une lumière ultraviolette (UV), d'une lumière visible (VIS), d'une lumière infrarouge (IR) et d'une lumière quasi-infrarouge (NIR).
9. Instrument (10) selon la revendication 4, dans lequel ladite source d'énergie laser (40) est en communication 10 électronique avec ledit microprocesseur.
10. Instrument (10) selon la revendication 4, comprenant en outre un capteur de température (32) autour dudit récipient (20) transparent aux micro-ondes destiné à mesurer la température de l'échantillon.
11. Appareil_ selon la revendication 10, dans lequel ledit capteur de température (32) est en communication électronique avec ledit microprocesseur.
12. Appareil selon la revendication 11, dans lequel ledit microprocesseur commande l'application de micro-ondes depuis ladite source de micro-ondes (25) sur la base de la température mesurée.
13. Instrument (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ladite source de micro-ondes (25) est choisie dans le groupe constitué de magnétrons, de klystrons, et de dispositifs à l'état solide.
14. Instrument (10) selon la revendication 4, dans lequel ledit récipient (20) transparent aux micro-ondes est choisi dans le groupe constitué de verre, de quartz, et de verre borosilicate.
15. Instrument (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit détecteur (50) est un tube photomultiplicateur.
16. Procédé de synthèse chimique assistée par micro-ondes, comprenant les étapes consistant à appliquer une énergie micro-ondes sur des réactifs d'échantillon; propager un rayonnement sensiblement monochromatique vers les réactifs d'échantillon; mesurer la diffusion Raman de la lumière monochromatique 15 provenant de l'échantillon; et modérer l'application d'énergie micro-ondes sur l'échantillon sur la base de la diffusion Raman mesurée.
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à modérer l'application d'énergie micro-ondes comprend l'étape consistant à modérer l'application de micro-ondes sur la base de la température surveillée.
18. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à appliquer une énergie micro-ondes comprend en outre l'étape consistant à appliquer une énergie micro-ondes pulsée pendant des durées variables en fonction du volume de l'échantillon.
19. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à propager une lumière sensiblement monochromatique comprend l'étape consistant à propager une lumière laser vers l'échantillon.
20. Procédé selon la revendication 16, comprenant l'étape consistant à refroidir activement l'échantillon.
21. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à mesurer la diffusion Raman comprend en outre l'étape consistant à stoker les informations mesurées au format électronique.
22. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à mesurer la diffusion Raman comprend en outre l'étape consistant à corriger les mesures de diffusion par soustraction des informations de fluorescence.
23. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à mesurer la diffusion Raman comprend en outre l'étape consistant à mettre à jour les mesures au moins une fois par seconde.
24. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à mesurer la diffusion Raman comprend en outre l'étape consistant à effectuer des calculs Euclidiens pour générer un spectrogramme.
25. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à appliquer une énergie micro-ondes sur l'échantillon comprend en outre l'étape consistant à surveiller la pression à l'intérieur du récipient à réaction (20).
26. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à propager un rayonnement sensiblement monochromatique comprend l'étape consistant à concentrer l'énergie laser sur l'échantillon.
27. Procédé selon la revendication 26, dans lequel 5 l'étape de concentration est étalonnée au moyen d'une référence standard.
28. Procédé selon la revendication 27, comprenant l'étape consistant à concentrer l'énergie laser au moyen d'un 10 cyclohexane comme référence standard.
29. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à modérer l'application d'énergie micro-ondes comprend en outre l'étape consistant à modérer l'entrée d'énergie micro-ondes en fonction de la diffusion Raman mesurée qui indique l'appauvrissement en réactifs d'échantillon.
30. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à modérer l'application d'énergie micro-ondes comprend en outre l'étape consistant à modérer l'entrée d'énergie micro-ondes en fonction de la diffusion Raman mesurée qui indique un pourcentage souhaité de réactifs d'échantillon transformés en produits.
31. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à modérer l'application d'énergie micro-ondes comprend en outre l'étape consistant à modérer l'entrée d'énergie micro-ondes en fonction de la diffusion Raman mesurée qui indique la formation de sous-produits non voulue.
32. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à modérer l'application d'énergie micro- ondes comprend en outre l'étape consistant à modérer l'entrée d'énergie micro-ondes à un moment particulier.
33. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'étape consistant à modérer l'application d'énergie micro-ondes comprend en outre l'étape consistant à modérer l'entrée d'énergie micro-ondes à une pression particulière.
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