Montage et caractérisation d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde utilisant des réseaux de Bragg comme filtre : application aux nanotubes de carbone

La spectroscopie Raman est un outil non destructif fort utile lors de la caractérisation de matériau. Cette technique consiste essentiellement à faire l’analyse de la diffusion inélastique de lumière par un matériau. Les performances d’un système de spectroscopie Raman proviennent en majeure partie de deux filtres ; l’un pour purifier la raie incidente (habituellement un laser) et l’autre pour atténuer la raie élastique du faisceau de signal. En spectroscopie Raman résonante (SRR), l’énergie (la longueur d’onde) d’excitation est accordée de façon à être voisine d’une transition électronique permise dans le matériau à l’étude. La section efficace d’un processus Raman peut alors être augmentée d’un facteur allant jusqu’à 106. La technologie actuelle est limitée au niveau des filtres accordables en longueur d’onde. La SRR est donc une technique complexe et pour l’instant fastidieuse à mettre en œuvre. Ce mémoire présente la conception et la construction d’un système de spectroscopie Raman accordable en longueur d’onde basé sur des filtres à réseaux de Bragg en volume. Ce système vise une utilisation dans le proche infrarouge afin d’étudier les résonances de nanotubes de carbone. Les étapes menant à la mise en fonction du système sont décrites. Elles couvrent les aspects de conceptualisation, de fabrication, de caractérisation ainsi que de l’optimisation du système. Ce projet fut réalisé en étroite collaboration avec une petite entreprise d’ici, Photon etc. De cette coopération sont nés les filtres accordables permettant avec facilité de changer la longueur d’onde d’excitation. Ces filtres ont été combinés à un laser titane : saphir accordable de 700 à 1100 nm, à un microscope «maison» ainsi qu’à un système de détection utilisant une caméra CCD et un spectromètre à réseau. Sont d’abord présentés les aspects théoriques entourant la SRR. Par la suite, les nanotubes de carbone (NTC) sont décrits et utilisés pour montrer la pertinence d’une telle technique. Ensuite, le principe de fonctionnement des filtres est décrit pour être suivi de l’article où sont parus les principaux résultats de ce travail. On y trouvera entre autres la caractérisation optique des filtres. Les limites de basses fréquences du système sont démontrées en effectuant des mesures sur un échantillon de soufre dont la raie à 27 cm-1 est clairement résolue. La simplicité d’accordabilité est quant à elle démontrée par l’utilisation d’un échantillon de NTC en poudre. En variant la longueur d’onde (l’énergie d’excitation), différentes chiralités sont observées et par le fait même, différentes raies sont présentes dans les spectres. Finalement, des précisions sur l’alignement, l’optimisation et l’opération du système sont décrites. La faible acceptance angulaire est l’inconvénient majeur de l’utilisation de ce type de filtre. Elle se répercute en problème d’atténuation ce qui est critique plus particulièrement pour le filtre coupe-bande. Des améliorations possibles face à cette limitation sont étudiées.

Spectroscopie Raman de complexes de fer(II) et fer(III) à transition de spin

Les transitions de spin provoquent des changements de propriétés physiques des complexes de métaux du bloc d les subissant, notamment de leur structure et propriétés spectroscopiques. Ce mémoire porte sur la spectroscopie Raman de composés du fer(II) et du fer(III), pour lesquels on induit une transition de spin par variation de la température ou de la pression. Trois complexes de fer(II) de type FeN4(NCS)2 avec des comportements de transition de spin différents ont été étudiés : Fe(Phen)2(NCS)2 (Phen : 1,10-Phénanthroline), Fe(Btz)2(NCS)2 (Btz : 2,2’-bi-4,5-dihydrothiazine) et Fe(pyridine)4(NCS)2. Un décalage de l’ordre de 50 cm-1 est observable pour la fréquence d’étirement C-N du ligand thiocyanate des complexes FeN4(NCS)2, lors de la transition de spin induite par variation de la température ou de la pression. Il est possible d’utiliser cette variation de fréquence afin de tracer un profil de transition. Quatre complexes isomères de type FeL222(CN)2 (L222 : 2,13- diméthyl-6,9-dioxa-3,12,18-triazabicyclo[12.3.1]-octadéca-1(18),2,12,14,16-pentaène) ont également été étudiés. Un taux de décalage de l’ordre d’environ 0,03 cm-1/K est observé pour plusieurs bandes du complexe FeL222(CN)2. La bande à 1415 cm-1 disparaît à plus haute température au profit d’une bande à 1400 cm-1. Pour le complexe de chiralité R,R’, les bandes à 1008 cm-1 et 1140 cm-1 se déplacent vers des fréquences plus élevées à partir de 223 K. Les transitions de spin sont observées dans certains complexes de fer(III). Dans cette famille de composés, le complexe Fe(EtDTC)3 (EtDTC : N,N-diéthyldithiocarbamate) a été étudié . Aucun changement n’a été observé dans l’intensité des bandes d’étirement fer-soufre sur les spectres à température variable. Cependant, la bande Fe-S associée à la forme bas-spin à 530 cm-1 augmente en intensité au profit de la bande associée à la forme haut-spin à 350 cm-1 lors des mesures à haute pression, passant d’un rapport d’amplitude de 50% à pression ambiante à 80% à 21 kbar. Un dédoublement de la bande d’étirement C-N du ligand dithiocarbamate à 1495 cm-1 est également observé à des pressions supérieures à 5 kbar. Une comparaison des changements des fréquences de vibration de tous les complexes est effectuée.

Détection de protéines par diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS)

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire.

Multipole modes and spin features in the Raman spectrum of nanoscopic quantum rings

We present a systematic study of ground state and spectroscopic properties of many-electron nanoscopic quantum rings. Addition energies at zero magnetic field (B) and electrochemical potentials as a function of B are given for a ring hosting up to 24 electrons. We find discontinuities in the excitation energies of multipole spin and charge density modes, and a coupling between the charge and spin density responses that allow to identify the formation of ferromagnetic ground states in narrow magnetic field regions. These effects can be observed in Raman experiments, and are related to the fractional Aharonov-Bohm oscillations of the energy and of the persistent current in the ring

Raman and FTIR studies of the structural aspects of Nasicon-type crystals; AFeTi(PO4)3 [A ¼ Ca, Cd]

Raman and FTIR spectra of CaFeTi(PO4)3 and CdFeTi(PO4)3 are recorded and analyzed. The observed bands are assigned in terms of vibrations of TiO6 octahedra and PO4 tetrahedra. The symmetry of TiO6 octrahedra and PO4 tetrahedra is lowered from their free ion symmetry. The presence of Fe3+ ion disrupts the Ti–O–P–O–Ti chain and leads to the distortion of TiO6 octrahedra and PO4 tetrahedra. The PO4 3 tetrahedra in both crystals are linearly distorted. The covalency bonding factor of PO4 3 polyanion of both the crystals are calculated from the Raman spectra and compared to that of other Nasicon-type systems. The numerical values of covalency bonding factor indicates that there is a reduction in redox energy and cell voltage and is attributed to strong covalency of PO4 3 polyanionin

Vibrational spectroscopy of a compound with a CS7 ring

The product of the Asinger reaction between elemental sulfur, n-butylamine and acetophenone is 8-(n-butylaminophenylmethyliden)-1,2,3,4,5,6,7-heptathiocane which contains a CS7 ring. A combination of infrared, Raman and inelastic neutron scattering spectroscopies with periodic density functional theory calculations is used to provide a complete assignment of the vibrational spectra of this unusual species. The similarity between the Raman spectra of the compound and that of elemental sulfur is particularly striking. Copyright (C) 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Analysis of red and yellow ochre samples from Clearwell Caves and Catalhoyuk by vibrational spectroscopy and other techniques

Ochre samples excavated from the neolithic site at Qatalhoyuk, Turkey have been compared with "native" ochres from Clearwell Caves, UK using infrared spectroscopy backed up by Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (with energy-dispersive X-rays (EDX) analysis), powder X-ray diffraction, diffuse reflection UV-Vis and atomic absorption spectroscopies. For the Clearwell Caves ochres, which range in colour from yellow-orange to red-brown, it is shown that the colour is related to the nature of the chromophore present and not to any differences in particle size. The darker red ochres contain predominantly haematite while the yellow ochre contains only goethite. The ochres from Qatalhoyuk contain only about one-twentieth of the levels of iron found in the Clearwell Caves ochres. The iron oxide pigment (haematite in all cases studied here) has been mixed with a soft lime plaster which also contains calcite and silicate (clay) minerals. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Oxidation of biogenic and water-soluble compounds in aqueous and organic aerosol droplets by ozone: a kinetic and product analysis approach using laser Raman tweezers

The results of an experimental study into the oxidative degradation of proxies for atmospheric aerosol are presented. We demonstrate that the laser Raman tweezers method can be used successfully to obtain uptake coeffcients for gaseous oxidants on individual aqueous and organic droplets, whilst the size and composition of the droplets is simultaneously followed. A laser tweezers system was used to trap individual droplets containing an unsaturated organic compound in either an aqueous or organic ( alkane) solvent. The droplet was exposed to gas- phase ozone and the reaction kinetics and products followed using Raman spectroscopy. The reactions of three different organic compounds with ozone were studied: fumarate anions, benzoate anions and alpha pinene. The fumarate and benzoate anions in aqueous solution were used to represent components of humic- like substances, HULIS; a alpha- pinene in an alkane solvent was studied as a proxy for biogenic aerosol. The kinetic analysis shows that for these systems the diffusive transport and mass accommodation of ozone is relatively fast, and that liquid- phase di. ffusion and reaction are the rate determining steps. Uptake coe. ffcients, g, were found to be ( 1.1 +/- 0.7) x 10(-5), ( 1.5 +/- 0.7) x 10 (-5) and ( 3.0 - 7.5) x 10 (-3) for the reactions of ozone with the fumarate, benzoate and a- pinene containing droplets, respectively. Liquid- phase bimolecular rate coe. cients for reactions of dissolved ozone molecules with fumarate, benzoate and a- pinene were also obtained: k(fumarate) = ( 2.7 +/- 2) x 10 (5), k(benzoate) = ( 3.5 +/- 3) x 10 (5) and k(alpha-pinene) = ( 1-3) x 10(7) dm(3) mol (-1) s (- 1). The droplet size was found to remain stable over the course of the oxidation process for the HULIS- proxies and for the oxidation of a- pinene in pentadecane. The study of the alpha- pinene/ ozone system is the first using organic seed particles to show that the hygroscopicity of the particle does not increase dramatically over the course of the oxidation. No products were detected by Raman spectroscopy for the reaction of benzoate ions with ozone. One product peak, consistent with aqueous carbonate anions, was observed when following the oxidation of fumarate ions by ozone. Product peaks observed in the reaction of ozone with alpha- pinene suggest the formation of new species containing carbonyl groups.

Analysis of red and yellow ochre samples from Clearwell Caves and Catalhoyuk by vibrational spectroscopy and other techniques

Ochre samples excavated from the neolithic site at Qatalhoyuk, Turkey have been compared with "native" ochres from Clearwell Caves, UK using infrared spectroscopy backed up by Raman spectroscopy, scanning electron microscopy (with energy-dispersive X-rays (EDX) analysis), powder X-ray diffraction, diffuse reflection UV-Vis and atomic absorption spectroscopies. For the Clearwell Caves ochres, which range in colour from yellow-orange to red-brown, it is shown that the colour is related to the nature of the chromophore present and not to any differences in particle size. The darker red ochres contain predominantly haematite while the yellow ochre contains only goethite. The ochres from Qatalhoyuk contain only about one-twentieth of the levels of iron found in the Clearwell Caves ochres. The iron oxide pigment (haematite in all cases studied here) has been mixed with a soft lime plaster which also contains calcite and silicate (clay) minerals. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Raman spectra of a pseudo-oxocarbon anion in ionic liquids

Raman and electronic spectra of the [3,5-bis(dicyanomethylene)cyclopentane-1,2,4-trionate] dianion, the croconate violet (CV), are reported in solutions of ionic liquids based on imidazolium cations. Different normal modes of the CV anion, nu (C=O), nu (CO) + nu (CC) + nu (CCN), and nu(C N), were used as probes of solvation characteristics of ionic liquids, and were compared with spectra of CV in common solvents. The spectra of CV in ionic liquids are similar to those in dichloromethane solution, but distinct from those in protic solvents such as ethanol or water. The UV-vis spectra of CV in ionic liquids strongly suggest pi-pi interactions between the CV anion and the imidazolium cation. Copyright (C) 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Raman evidence of the interaction between multiwalled carbon nanotubes and nanostructured TiO(2)

Nanocomposites of carbon nanotubes and titanium dioxide (TiO(2)) have attracted much attention due to their photocatalytic properties. Although many examples in the literature have visualized these nanocomposites by electron microscopic images, spectroscopic characterization is still lacking with regard to the interaction between the carbon nanotube and TiO(2). In this work, we show evidence of the attachment of nanostructured TiO(2) to multiwalled carbon nanotubes(MWNTs) by Raman spectroscopy. The nanostructured TiO(2) was characterized by both full-width at half-maximum (FWHM) and the Raman shift of the TiO(2) band at ca 144 cm(-1), whereas the average diameter of the crystallite was estimated as approximately 7 nm. Comparison of the Raman spectra of the MWNTs and MWNTs/TiO(2) shows a clear inversion of the relative intensities of the G and D bands, suggesting a substantial chemical modification of the outermost tubes due to the attachment of nanostructured TiO(2). To complement the nanocomposite characterization, scanning electronic microscopy and X-ray diffraction were performed. Copyright (C) 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

Studies on the resonance Raman spectra of polyaniline obtained with near-IR excitation

The effects of near-IR (NIR) laser power over the Raman spectra of poly(aniline) emeraldine salt (PANIES) and base (PANI-EB) were investigated. The reasons for the existence of several bands from 1324 to 1500 cm-1 in the Raman spectra of poly(aniline) obtained at NIR region were also studied. The bands from 1324 to 1375 cm-` were associated to vC-N of polarons with different conjugation lengths and the bands from 1450 to 1500 cm-1 in Raman spectra of PANI emeraldine and pernigraniline base forms were correlated to vC=N modes associated with quinoid units having different conjugation lengths. The increase of laser power at 1064.0 run causes the deprotonation of PANI-ES and the formation of cross-linking segments having phenazine and/or oxazine rings. For PANI-EB only a small spectral change is observed when the laser power is increased, owing to the low absorption of this form in the NIR region. Copyright (c) 2007 John Wiley & Sons, Ltd.

Surface-enhanced Raman study of electrochemical and photocatalytic degradation of the azo dye Janus Green B

The photocatalytic degradation of Janus Green B azo dye over silver modified titanium dioxide films was investigated by surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). An optimized SERS-active substrate was employed to study the photodegradation reaction of Janus Green B. Considering that photocatalytic degradation processes of organic molecules adsorbed on TiO2 might involve either their oxidation or reduction reaction, the vibrational spectroelectrochemical study of the dye was also performed, in order to clarify the transformations involved in initial steps of its photochemical decomposition. In order to understand the changes in Raman spectra of Janus Green B after photodegradation and/or electrochemical processes, a vibrational assignment of the main Raman active modes of the dye was carried out, based on a detailed resonance Raman profile. Products formed by electrochemical and photochemical degradation processes were compared. The obtained results revealed that the first steps of the degradation process of Janus Green B involve a reductive mechanism. (C) 2007 Published by Elsevier B.V.

New insights on surface-enhanced Raman scattering based on controlled aggregation and spectroscopic studies, DFT calculations and symmetry analysis for 3,6-bi-2-pyridyl-1,2,4,5-tetrazine adsorbed onto citrate-stabilized gold nanoparticles

Asystematic study on the surface-enhanced Raman scattering (SERS) for 3,6-bi-2-pyridyl-1,2,4,5-tetrazine (bptz) adsorbed onto citrate-modified gold nanoparticles (cit-AuNps) was carried out based on electronic and vibrational spectroscopy and density functional methods. The citrate/bptz exchange was carefully controlled by the stepwise addition of bptz to the cit-AuNps, inducing flocculation and leading to the rise of a characteristic plasmon coupling band in the visible region. Such stepwise procedure led to a uniform decrease of the citrate SERS signals and to the rise of characteristic peaks of bptz, consistent with surface binding via the N heterocyclic atoms. In contrast, single addition of a large amount of bptz promoted complete aggregation of the nanoparticles, leading to a strong enhancement of the SERS signals. In this case, from the distinct Raman profiles involved, the formation of a new SERS environment became apparent, conjugating the influence of the local hot spots and charge-transfer (CT) effects. The most strongly enhanced vibrations belong to a(1) and b(2) representations, and were interpreted in terms of the electromagnetic and the CT mechanisms: the latter involving significant contribution of vibronic coupling in the system. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.