Evaluation des sources lumineuses en PhotoChimie

Les sources lumineuses utilisées dans les réactions de photochimie sont marquées et évaluées de plusieurs façons, mais aucun de ces nombres n’aide à mieux comprendre quelle quantité de lumière est absorbée par la réaction. Cet article explique la différence entre Watts et lumens, l’importance de mesurer l’irradiance, et comment l’actinométrie est cruciale pour évaluer les sources lumineuses en photochimie.

En photochimie, la lumière est un réactif. Et aucun chimiste ne réalise une réaction sans connaître la stœchiométrie des réactifs. Par conséquent, il est important pour les chimistes d’évaluer les sources lumineuses en photochimie ainsi que le nombre de photons de la source de lumière requis pour une expérience donnée. Ce seul détail (la quantité de lumière pénétrant dans l’échantillon) fournit les informations nécessaires pour étudier, optimiser et mettre correctement à l’échelle toute expérience. Malheureusement, trop peu de publications documentent la source de lumière dans l’expérience de photochimie. Encore moins de publications précisent le nombre de photons requis pour la réaction.¹

Différentes sources de lumière pour la Photochimie

 

Vous allez connaître les considérations les plus importantes pour évaluer les sources lumineuses en Photochimie. Nous allons également vous indiquer comment mesurer l’énergie chimique de votre lumière ou le flux de photons dans vos réactions.

 

Comprendre la différence entre la puissance électrique et l’énergie de la lumière

Les publications scientifiques décrivent généralement les sources de lumière pour la Photochimie en termes de couleur et de puissance, habituellement en Watts. Mais la puissance électrique nominale (en watts) d’une source lumineuse n’est qu’une indication de l’énergie de cette lumière. Cependant, les sources lumineuses LED et CFL (à titre d’exemple) n’ont pas la même efficacité lumineuse. Elles n’apportent pas la même quantité de lumière à la réaction. Presque toutes les ampoules commerciales sont classées en lumens. Le lumen est “une mesure de la quantité totale de lumière visible émise par une source par unité de temps”. En d’autres termes, les lumens représentent la lumière visible générée par l’ampoule. Et alors qu’un luxmètre mesure l’intensité de la lumière (intensité lumineuse) à un endroit précis (lux, mesuré en lumen/m²), les sources de lumière monochromatiques (celles utilisées dans les expériences de photochimie) rendent ces mesures non pertinentes. Le constat est clair : la puissance électrique mesure l’énergie de la source lumineuse, les lumens mesurent la quantité de lumière visible. Cependant, ni l’un ni l’autre ne sont utiles pour comprendre la quantité de lumière absorbée par la réaction.

 

Géométrie du faisceau lumineux

Une autre chose importante à considérer est la géométrie de la lumière lorsqu’elle se disperse autour de l’échantillon. Les ampoules ordinaires (comme celles que l’on trouve dans les maisons) diffusent la lumière dans toutes les directions, tandis que les sources de lumière focalisée dirigent la lumière dans une direction. Comme l’indique le tableau ci-dessous, l’angle du faisceau de la source de lumière a un impact direct sur son intensité. Une source de lumière focalisée, ou angulaire, d’une puissance beaucoup plus faible est capable de produire facilement plus d’intensité qu’une source de lumière diffuse d’une puissance beaucoup plus élevée.

 

L’axe des y représente l’intensité de la lumière (irradiance) tandis que l’axe des x représente l’angle du faisceau. Le graphique ci-dessus démontre qu’une LED 20W avec un angle de faisceau de 20° est aussi efficace qu’une LED 80W avec un angle de 40°.

Ainsi, il y a une relation directe entre l’angle du faisceau et la puissance en Watts nécessaire pour produire la même intensité. Il est important de choisir une source de lumière qui va focaliser la majorité de sa lumière directement sur l’échantillon. La puissance en Watts de la source lumineuse est moins importante. Elle ne doit pas être trop petite, de manière à couvrir l’ensemble de l’échantillon. Elle ne doit pas non plus être trop grande, car l’énergie lumineuse non concentrée sur l’échantillon est gaspillée.

 

Radiospectrométrie

Un radiospectromètre mesure la puissance de la source lumineuse (flux radiant, en Watts) et l’intensité de la lumière (irradiance en Watt/cm²) ainsi que le spectre (nm). Cependant, l’irradiance est différente du lux et n’est pas basée sur la sensibilité de l’œil humain et la lumière visible. L’irradiance est mesurée à un endroit spécifique le long de la source de lumière (provenant d’une direction). En outre, il permet de comparer efficacement différentes sources de lumière dans un cadre standardisé. Il s’agit donc d’une meilleure mesure pour les sources de lumière non visibles (comme le proche UV). Mais il faut garder à l’esprit que la position du capteur de la source de lumière a une incidence sur la mesure de l’éclairement énergétique. Les comparaisons sont difficiles si vous ne connaissez pas l’emplacement exact du capteur.

Spectre d’une LED blanche

 

Si vous placez votre échantillon dans la même position, vous pouvez estimer la quantité de lumière (nombre de photons) qui irradie votre échantillon en utilisant la surface exposée de votre échantillon. Vous avez besoin de prendre en considération la lumière provenant des autres directions ainsi que la réflexion de la lumière sur la surface du flacon. Toutes les sources de lumière HepatoChem sont testées par radiospectromètrie et l’irradiance correspondante (mW/cm²), ainsi que le spectre spécifique de la lumière, est livrée avec chaque lampe.

 

Actinomètrie et l’importance de calculer le flux de photons

L’actinométrie est une méthode standard pour mesurer la quantité réelle de lumière pénétrant dans votre échantillon ou flux de photons. Les “actinomètres” sont les réactifs de la méthode, le ferrioxalate est le plus largement utilisé.² Ce complexe de fer (III) produit du fer (II) avec des rendements photochimiques connus. Ainsi, le nombre spécifique de photons pénétrant dans l’échantillon peut être déterminé en fonction de la quantité de fer (II) produite par le complexe de ferrioxalate.

Fe²⁺ produit —> Photon reçu —> irradiance (W)

Le flux de photons (ou irradiance) est spécifique au flacon utilisé, au volume de la réaction et à la source de lumière. En utilisant cette méthode, vous pouvez calibrer votre installation et connaître la quantité de lumière qui pénètre dans votre échantillon.

 

 

1. Bonfield, H.E., Knauber, T., Lévesque, F. et al. Photons as a 21st century reagent. Nat Commun 11, 804 (2020) https://doi.org/10.1038/s41467-019-13988-4
2. Hatchard C.G.; Parker C.A. A new sensitive chemical actinometer. 2. Potassium ferrioxalate as a standard chemical actinometer. Proc. R. Soc. London, Ser. A. 1956, 235, 518-536.