Spectrophotomètre
Comment reconnaître différentes solutions chimiques? En mesurant leur absorbance! c'est le principe du spectrophotomètre que nous allons essayer de construire à notre échelle dans le cadre de notre projet ARE 2015.
Projet réalisé par:
- RIBEYRE Alexandre
- ASTAGNEAU Paul
- PRIN Lorène
- EL ROBRINI Taha
- ZIELINSKI Nathan
- REHAILIA Chakib
Nos adresses mails sont sous la forme prénom.nom@etu.upmc.fr
N'hésitez pas à nous y envoyer vos questions ou suggestions!
Le fonctionnement d'un spectrophotomètre UV-visible
Un spectrophotomètre est un appareil capable de mesurer l'absorbance d'une solution en fonction de la longueur d'onde à laquelle la solution absorbe les rayons lumineux. Grâce à la loi de Beer-Lambert qui dit que la concentration est proportionnelle à l'absorbance et même plus précisément que A est fonction de la concentration C de la solution, du coefficient d'absorption molaire ε et de la longueur de solution à traverser L:
A=-log(I/I0)=ε.l.c
où I/I0 est la transmittance de la solution¹
Première esquisse de la liste de matériel nécessaire à la construction du spectrophotomètre
Photo d'un ancien spectrophotomètre légendée
Résultats des recherches sur les cerveaux-moteurs et Arduino
Le cerveau moteur nous permettrait d'éviter le problème des pas des moteurs DC à courant continu. En effet à l'aide de Arduino le cerveau moteur se met dans la position demandée par le logiciel contrôlant Arduino (et même pas besoin d'obtenir un moteur Shield pour le contrôler!). Cela pourrait donc augmenter le nombre de longueurs d'ondes proposées par le spectrophotomètre. A l'aide du logiciel contrôlant Arduino, une plaquette Arduino et un cerveau moteur nous avons pu coder de manière à faire tourner le cerveau moteur de l'angle que nous souhaitions:
#include <Servo.h> Servo monServo; void setup() {
monServo.attach(9);
}
void loop() {
monServo.write(87); }
Résultats des recherches d'optiques
La réfraction par un prisme est inégale selon la longueur d'onde, donc ce n'est pas très pratique si l'on veut couvrir un large spectre. Le réseau par transmission permet d'obtenir une figure de diffraction selon le principe des interactions constructives et destructives. Donc on a une succession de spectres du visible dans l'espace, ce qui est beaucoup plus facile à utiliser et également plus précis pour un spectrophotomètre. Donc nous allons utiliser un réseau par transmission en tant que monochromateur, fourni par le fablab.
Il existe une formule permettant de relier la longueur d'onde et son angle de réflexion, la formule de Snell-Descartes :
sin(0i) - sin(0r) = K.n.L
avec 0i : l'angle d'incidence par rapport à la normale au réseau,
0r : l'angle de réflexion par rapport à la normale au réseau,
K : l'ordre (l'indice du spectre utilisé),
n : le nombre de fentes par mètre (propre au réseau utilisé) et
L : la longueur d'onde
Cherchons maintenant à savoir comment agir sur les éléments permettant la diffraction (avec le moteur) pour sélectionner une longueur d'onde précise et l'envoyer vers la cuve. Il faudra surement un ou plusieurs miroirs. Toutes les dimensions et positions de ces éléments restent encore à définir en fonction de l'ensemble de l'appareil.
Recherches sur la photodiode et problèmes rencontrés
Matériel utilisé : Arduino uno, photodiode, Protocole : Nous avons relié la photodiode à l’Arduino grâce au montage suivant :
Après avoir réalisé ce montage, nous avons eut un problème pour afficher les valeurs de la photodiode sur l’arduino. On a reçu de l’aide de la part d’un membre d’un autre groupe et de la part du professeur, mais en vain. Problème n1 : nous n'avions pas relié la photodiode au courant électrique (le prof a réglé ce problème) Problème n2 : nous avions utilisé une résistance trop puissante, on en a donc pris une faible Problème n3 : identifier la photodiode utilisée car nous en avons pris une du fablab Problème n4 : adapter le programme à notre cas car visiblement cela ne fonctionne pas.
Résolution du problème de la photodiode
Quelques problèmes de branchements avec Arduino avaient été observés lors des expériences. De plus nous n'avions pas bien réinitialisé Arduino pour lui envoyer le bon programme. Enfin Arduino n'arrivait pas à se brancher sur le bon port de l'ordinateur ce qui nous donnait des valeurs d'intensité venant de la photodiode qui étaient nulles. Le programme correct et utilisé pour la photodiode est donné dans la dernière rubrique de cette page.
Choix de la source lumineuse
Nous avions décidé au début du projet de prendre une lampe à incandescence. Ce choix a été remis en question car nous avons trouvé une solution plus pratique. La lampe à incandescence dont nous nous servions jusqu'à présent avait la particularité de chauffer beaucoup trop et très vite. Nous devions donc installer un système de ventilation demandant un moteur supplémentaire… Lors d'un passage au fablab nous avons entendu parlé d'une led très puissante qui a la propriété de chauffer beaucoup moins que la lampe que nous utilisions initialement. C'est la raison pour laquelle nous avons décider d'utiliser cette led que nous avons du fixer sur un socle métallique à l'aide de fil de cuivre limitant sa monter de température (car elle chauffe un peu quand même). Cette LED fut la seul dépense nécéssaire pour notre projet (23€).Le reste des pièces furent trouver au labo.
On a évidemment décomposé la lumière émise par la LED à l'aide de notre réseau afin de vérifier la bonne validité de son domaine d'émission (domaine du visible)
Formules d'optique et dimensions
Ne trouvant pas comment agir simplement sur le réseau en le faisant tourner, nous avons décidé d'utiliser 2 miroirs afin de sélectionner la longueur d'onde. Ainsi, nous faisons tourner le premier miroir à l'aide du servomoteur, tandis que le deuxième miroir est dédié à rediriger le faisceau lumineux vers la solution (miroir fixe). Avec la formule des réseaux vue précédemment nous avons choisi un angle d'incidence de 80° pour faciliter la redirection du faisceau lumineux. Le deuxième miroir quant à lui est placé à un angle de 45° par rapport à la deuxième fente (celle placée devant la cuve). Afin de déterminer les autres dimensions de la partie optique nous avons du utiliser la loi des sinus:
a/sin(alpha)=b/sin(beta)=c/sin(gamma)
Il a donc été possible d'exprimer toutes les dimensions en fonction d'une seule longueur (distance miroir fixe/fente numéro 1 appelée distance d) En particulier : taille du miroir mobile = d*(sin(26)/(sin(85)*sin(111,5))+(sin(26)*sin(42,5)*sin(55,5))/(sin(85)*sin(69)*sin(68,5)*sin(13))-(sin(26)*sin(42,5)*sin(111,5))/(sin(85)*sin(69)*sin(68,5)*sin(13)))=d*0,311
Or notre miroir mobile fait 2,5 centimètres de long, donc en conservant une marge de précision : 2,1=d*0,311 donc d=6,75 centimètres.
De la même manière nous avons déterminé le calcul de l'angle de rotation du miroir en fonction de la longueur d'onde : theta=50-(theta r)/2 avec theta r l'angle de réflexion dépendant de la longueur d'onde.
Schéma de la loi des sinus:
Schéma récapitulatif d'optique:
Fixation du miroir sur le servo moteur
Nous avions tout d'abord fixé le miroir quasiment sur le centre de rotation du servomoteur mais nous avons finalement du le fixé à 11,85 centimètres du centre pour qu'il puisse tourner de 13 degré pour sélectionner les longueur d'onde entre 400 et 800 nanomètre. Pour cela une petite plaque de bois de 13 cm de long a été découper à la découpeuse laser puis collé sur la pièce en plastique fixée elle même sur le servo moteur et pouvant tourner. Le miroir a été ainsi collé sur l'extrémité de la tige en bois.
1ère fixation:
Fixation finale:
Conception de pièces supports avec openscad
Des pièces pour poser le servo moteur, fixer les miroirs, la photodiode, la cuve, la led, le monochromateur ont été dessinées sur OpenScad et imprimées avec l'imprimante 3D pour être ensuite fixées dans le boitier. Les premières pièces étaient évidemment ratée, changement de hauteur, largeur etc… Finalement chaque pièce a trouvé sa place dans le boitier dans leurs emplacements prévus.
Conception du boitier avec openscad
La conception du boitier nous as posé beaucoup de problème en effet nous avions besoin des dimensions entre les différents éléments d'optiques mais aussi de trous pour fixer les pièces soutenant les éléments du spectrophotomètre. De plus pour faciliter les calculs d'optiques (sens trigonométrique) nous avons décider de mettre la lampe à droite. Finalement le fichier openscad que nous avons créé est le suivant:
Programme final sur Arduino
Voici le programme final permettant de relier photodiode et servo moteur et surtout lorsque l'on rentre une longueur d'onde le programme permet de nous sortir une absorbance après que la lumière soit passé dans la cuve contenant la solution étudiée:
¹D'après Wikipédia
²D'après Outside Science