Mesure de solutions aqueuses hautement diluées de persulfate d'ammonium

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction

Le défi de la détection de petites concentrations à l'aide de la spectroscopie Raman

La détection d'échantillons à de faibles concentrations est un domaine d'application avec lequel la spectroscopie Raman se débat traditionnellement du fait que l'effet Raman est extrêmement faible. Si l'échantillon est de plus en plus dilué, la signature Raman mesurée devient plus petite jusqu'à disparaître dans le bruit de la ligne de base. Bien que cela soit parfois surmonté par une moyenne massive, de long temps d'intégration ou un refroidissement profond du détecteur, la limite de détection inférieure est finalement une qualité caractéristique du spectromètre. 

Persulfate d'ammonium, un oxydant polyvalent

Le persulfate d'ammonium (APS), une poudre blanc cassé de formule chimique (NH4)2(S2O8), est un réactif important pour de nombreuses applications différentes. Il est utilisé comme démarreur dans la polymérisation radicalaire par exemple de PTFE (Teflon), pour préparer des gels de polyacrylamide pour l'électrophorèse, comme réactif de gravure pour circuits imprimés, pour greffer de l'amidon et comme décolorant d'huile, pour ne citer que quelques applications. Il est très important de pouvoir évaluer rapidement la présence de ce composé réactif. De plus grandes quantités d'APS résiduel d'une polymérisation radicalaire dégraderont la qualité du polymère, en particulier lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil. De même, lors de l'utilisation de l'APS dans des produits alimentaires, tels que l'amidon ou l'huile comestible, il est très important de s'assurer qu'il ne reste aucun APS dans le produit final. Ainsi, il existe de nombreuses situations dans lesquelles il est important de vérifier les restes d'APS ou de déterminer l'activité d'un réactif APS préparé. Le temps étant ici un facteur important, les exigences d'une méthode d'analyse comprennent des temps de mesure courts, une utilisation simple et un faible effort de préparation des échantillons. Les spectromètres Raman Cora 5001 d'Anton Paar sont les outils idéaux pour évaluer rapidement la présence d'APS dans les réactifs et les produits finis. Ils permettent des mesures de solutions aqueuses directement à travers l'emballage. 

2. Instrumentation

Spectroscopie Raman 

La spectroscopie Raman est une technique optique qui mesure la diffusion inélastique de la lumière laser par l'échantillon. Au cours du processus de diffusion, une fraction de la lumière change sa longueur d'onde, qui peut ensuite être analysée par un spectrographe. La technique fournit des informations très spécifiques à l'échantillon qui sont liées à la composition chimique et à la structure de l'échantillon. 

Expérience

Le spectromètre de paillasse portable Cora 5001 d'Anton Paar est parfaitement adapté aux mesures décrites dans ce rapport. La flexibilité offerte par sa capacité à double longueur d'onde s'avère avantageuse lors de la mesure d'une grande variété d'échantillons réels qui fluorescent, tels que des films polymères colorés. Pour les solutions aqueuses définies d'APS, une longueur d'onde d'excitation de 785 nm a été utilisée. Pour cette longueur d'onde, le spectromètre est équipé d'un détecteur CCD et d'une diode laser qui fournit jusqu'à 450 mW de puissance à l'emplacement de l'échantillon. Une série de sept solutions aqueuses d'APS a été préparée avec les concentrations 1,0 M, 0,5 M, 0,2 M, 0,04 M, 0,02 M, 0,01 M et 0,005 M, et introduite dans des flacons en verre standard sans avoir besoin d'une autre préparation d'échantillon. Un flacon en verre identique avec de l'eau pure a également été préparé. L'accessoire d'échantillonnage pour flacons a été utilisé pour positionner les échantillons dans le spectromètre. La mise au point a été ajustée sur le flacon avec la concentration la plus élevée d'APS pour optimiser la position de l'échantillon pour une intensité de signal maximale. L'étalonnage de l'axe des nombres d'onde du spectromètre a été vérifié avec l'étalon de polystyrène fourni avant l'enregistrement des données. Par la suite, chaque concentration a été mesurée avec des temps d'intégration de 4000 ms et une correction de fond activée, résultant en une consommation totale de seulement 10 secondes par échantillon. L'échantillon d'eau pure a été mesuré dans les mêmes conditions et sert de référence de base. 

3. Identification des petites concentrations d'APS

Sur les spectres acquis, on peut immédiatement voir que l'APS possède une série de signaux Raman dans la région "d'empreinte" Raman à des valeurs de décalage <1500 cm-1. Lors de l'abaissement de la concentration, les intensités de signal décroissent vers le spectre de "fond" mesuré (ligne pointillée) contenant les signaux du flacon et du solvant eau. Les trois signaux les plus élevés à 834 cm-1, 980 cm-1 et 1074 cm-1, respectivement, sont clairement visibles sur la ligne de base même pour la concentration la plus faible de 0,005 M (0,11% en poids). Ces signaux sont suffisamment élevés pour permettre le développement de modèles chimiométriques spécialisés pour l'évaluation, la surveillance ou la quantification de la qualité. 

4. Conclusion

Des solutions aqueuses hautement diluées d'APS avec des caractéristiques spectrales clairement discernables ont été obtenues en utilisant un spectromètre Raman de paillasse portable d'Anton Paar. Cela démontre le progrès de la technologie Raman qui permettent de concevoir des spectromètres compacts, mais performants, avec une sensibilité élevée et des limites de détection faibles. La capacité d'obtenir des spectres avec des signaux clairement résolus à partir de solutions aqueuses diluées permet de développer des modèles chimiométriques fiables de la qualité et la surveillance de l'analyse des produits entrants ou finis dans l'industrie des polymères, biochimique ou alimentaire.