Spectroscopie

La spectroscopie est le domaine d'étude qui mesure et interprète les spectres électromagnétiques lors de leur interaction avec la matière. Dans un contexte plus restreint, la spectroscopie est l'étude précise de la couleur , généralisée de la lumière visible émise à toutes les bandes du spectre électromagnétique.

La spectroscopie, principalement dans le spectre électromagnétique, est un outil d'exploration fondamental dans les domaines de l'astronomie , de la chimie , des sciences des matériaux et de la physique , permettant d'étudier la composition, la structure physique et électronique de la matière à l'échelle atomique, moléculaire et macroscopique, et sur des distances astronomiques .

Historiquement, la spectroscopie trouve son origine dans l'étude de la dépendance spectrale de l'absorption de la lumière visible dispersée par un prisme par la matière en phase gazeuse . Ses applications actuelles incluent la spectroscopie biomédicale, notamment pour l'analyse tissulaire et l'imagerie médicale . Les ondes de matière et les ondes acoustiques peuvent être considérées comme des formes d'énergie radiative, et récemment, une signature spectrale a été associée aux ondes gravitationnelles dans le cadre de l' Observatoire d'ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO).

La spectroscopie est une branche de la science qui étudie les spectres du rayonnement électromagnétique en fonction de sa longueur d'onde ou de sa fréquence , mesurés par des spectrographes et d'autres techniques, afin d'obtenir des informations sur la structure et les propriétés de la matière. Les appareils de mesure spectrale sont appelés spectromètres , spectrophotomètres , spectrographes ou analyseurs spectraux . La plupart des analyses spectroscopiques en laboratoire commencent par un échantillon à analyser. Une source lumineuse est envoyée à travers un monochromateur pour séparer spatialement les couleurs avant de faire passer une bande de fréquences sélectionnée à travers l'échantillon ; le signal est ensuite capté par une photodiode . Pour l'astronomie, le télescope doit être équipé d'un dispositif de dispersion de la lumière . Différentes configurations de ce dispositif de base peuvent être utilisées.

La spectroscopie a débuté avec Isaac Newton qui a décomposé la lumière à l'aide d'un prisme ; un moment clé dans le développement de l'optique moderne . C'est donc à l'origine l'étude de la lumière visible que nous appelons couleur . Suite aux travaux de James Clerk Maxwell , cette étude a ensuite inclus l'ensemble du spectre électromagnétique . Bien que la couleur intervienne en spectroscopie, elle ne se limite pas à l' absorption et à la réflexion de certaines ondes électromagnétiques qui confèrent aux objets ou aux éléments une perception de couleur. La spectroscopie repose plutôt sur la décomposition de la lumière par un prisme, un réseau de diffraction ou un instrument similaire, afin d'afficher une figure d'absorption discrète particulière appelée « spectre », unique pour chaque élément ou molécule. La plupart des éléments sont d'abord placés à l'état gazeux pour permettre l'analyse de leur spectre, bien que d'autres méthodes puissent aujourd'hui être utilisées pour différents états de la matière. Chaque élément diffracté par un instrument de type prisme présente un spectre d'absorption ou un spectre d'émission selon qu'il est refroidi ou chauffé.

Jusqu'à récemment, toute la spectroscopie impliquait l'étude des spectres de raies, et la plupart des techniques spectroscopiques le font encore. La spectroscopie vibrationnelle est la branche de la spectroscopie qui étudie les spectres causés par les vibrations des molécules. Cependant, les développements les plus récents en spectroscopie permettent parfois de se passer de la technique de dispersion. En spectroscopie biochimique, des informations sur les tissus biologiques peuvent être recueillies par des techniques d'absorption et de diffusion de la lumière. La spectroscopie de diffusion de la lumière est un type de spectroscopie de réflectance qui détermine les structures tissulaires en examinant la diffusion élastique. Dans ce cas, c'est le tissu lui-même qui agit comme un mécanisme de diffraction ou de dispersion.

Les études spectroscopiques ont joué un rôle central dans le développement de la mécanique quantique . Les premiers modèles atomiques quantiques utiles, tels que le modèle de Bohr , l' équation de Schrödinger et la mécanique matricielle , ont reproduit les raies spectrales de l'hydrogène . Ces modèles établissaient une correspondance entre les sauts quantiques discrets de l'électron lié dans un atome d'hydrogène et le spectre discret de l'hydrogène. L'explication du rayonnement du corps noir par Max Planck faisait appel à la spectroscopie, car il comparait la longueur d'onde de la lumière mesurée par un photomètre à la température d'un corps noir . La spectroscopie est utilisée en chimie physique et analytique car les atomes et les molécules possèdent des spectres uniques. Par conséquent, ces spectres permettent de détecter, d'identifier et de quantifier des informations sur les atomes et les molécules.

La spectroscopie est utilisée en astronomie et en télédétection sur Terre. La plupart des télescopes de recherche sont équipés de spectrographes. Les spectres mesurés permettent de déterminer la composition chimique et les propriétés physiques des objets astronomiques , telles que leur température , l'abondance de leurs éléments, leur vitesse , leur rotation, leur champ magnétique , etc. La spectroscopie trouve également une application importante en biochimie. L'analyse d'échantillons moléculaires permet d'identifier les espèces et de déterminer leur contenu énergétique.

Le principe fondamental de la spectroscopie repose sur le fait que la lumière est composée de différentes longueurs d'onde et que chaque longueur d'onde correspond à une fréquence différente. L'importance de la spectroscopie réside dans le fait que chaque élément du tableau périodique possède un spectre lumineux unique, décrit par les fréquences de la lumière qu'il émet ou absorbe, apparaissant systématiquement dans la même partie du spectre électromagnétique lorsque cette lumière est diffractée. Ceci a ouvert un champ d'étude entier à tout ce qui contient des atomes. La spectroscopie est essentielle à la compréhension des propriétés atomiques de toute matière. De ce fait, elle a permis l'émergence de nombreux sous-domaines scientifiques encore inconnus. L'idée que chaque élément atomique possède sa signature spectrale unique a permis d'utiliser la spectroscopie dans un grand nombre de domaines, chacun ayant un objectif spécifique atteint par différentes procédures spectroscopiques. Le National Institute of Standards and Technology (NIST) gère une base de données publique de spectres atomiques, constamment mise à jour avec des mesures précises.

Avec un spectrophotomètre d'absorption, le niveau d'absorption d'une source lumineuse est déterminé par la loi de Beer-Lambert :

Les résonances de fréquence ont d'abord été caractérisées dans des systèmes mécaniques tels que les pendules , dont la fréquence de mouvement a été rendue célèbre par Galilée . Dans les systèmes quantiques, la résonance analogue est un couplage entre deux états stationnaires quantiques d'un système, tels que deux orbitales atomiques , via une source d'énergie oscillante comme un photon . Le couplage entre les deux états est maximal lorsque l'énergie de la source correspond à la différence d'énergie entre les deux états. Autrement dit, un photon d'énergie adéquate est plus susceptible de provoquer le passage d'un électron d'une orbitale à une autre, un processus appelé excitation électronique . L'énergie E d'un photon est liée à sa fréquence ν par la relation E = hν , où h est la constante de Planck [ Ainsi, le spectre de la réponse du système en fonction de la fréquence du photon présente un pic à la fréquence ou à l'énergie de résonance.

Toute partie du spectre électromagnétique peut être utilisée pour analyser un échantillon, de l'infrarouge à l'ultraviolet, révélant ainsi aux scientifiques différentes propriétés d'un même échantillon. Cette découverte a conduit à un élargissement du domaine de la spectroscopie. Par exemple, en analyse chimique, les types de spectroscopie les plus courants comprennent la spectroscopie atomique, la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie ultraviolette et visible, la spectroscopie Raman et la résonance magnétique nucléaire (RMN ). En résonance magnétique nucléaire (RMN), le principe sous-jacent est que la fréquence est analogue à la résonance et à sa fréquence de résonance correspondante.

La spectroscopie est un domaine suffisamment vaste pour comprendre de nombreuses sous-disciplines, chacune comportant de multiples applications de techniques spectroscopiques spécifiques. Ces différentes applications et techniques peuvent être classées de diverses manières.

Les types de spectroscopie se distinguent par le type d'énergie radiative impliquée dans l'interaction. Dans de nombreuses applications, le spectre est déterminé en mesurant les variations d'intensité ou de fréquence de cette énergie. Les types d'énergie radiative étudiés comprennent :

• Le rayonnement électromagnétique a été la première source d'énergie utilisée pour les études spectroscopiques. Les techniques qui utilisent le rayonnement électromagnétique sont généralement classées selon la région de longueur d'onde du spectre et comprennent la micro-ondes , térahertz , infrarouge , proche infrarouge , ultraviolet-visible , rayons X [ et gamma .
• Les particules, du fait de leurs ondes de de Broglie , peuvent être une source d'énergie radiative. La spectroscopie électronique et la spectroscopie neutronique sont toutes deux utilisées. Pour une particule, son énergie cinétique détermine sa longueur d'onde.
• La spectroscopie acoustique fait intervenir les ondes de pression rayonnées.
• L'analyse mécanique dynamique peut être utilisée pour transmettre de l'énergie rayonnante, semblable aux ondes acoustiques, aux matériaux solides.

Les types de spectroscopie peuvent être distingués par la nature de l'interaction entre l'énergie et le matériau. Ces interactions comprennent :

• Spectroscopie d'absorption : L'absorption se produit lorsque l'énergie provenant de la source de rayonnement est absorbée par le matériau. Elle est souvent déterminée en mesurant la fraction d'énergie transmise à travers le matériau, l'absorption diminuant cette fraction.
• Spectroscopie d'émission : L'émission indique que du rayonnement est libéré par le matériau. Le spectre du corps noir d'un matériau est un spectre d'émission spontanée déterminé par sa température. Cette caractéristique peut être mesurée dans l'infrarouge par des instruments tels que l'interféromètre de radiance atmosphérique. L'émission peut être induite par d'autres sources d'énergie telles que les flammes , les étincelles , les arcs électriques ou le rayonnement électromagnétique dans le cas de la fluorescence .
• La spectroscopie de diffusion élastique et de réflexion permet de déterminer comment le rayonnement incident est réfléchi ou diffusé par un matériau. La cristallographie utilise la diffusion de rayonnements de haute énergie, tels que les rayons X et les électrons, pour examiner l'agencement des atomes dans les protéines et les cristaux solides.
• La spectroscopie d'impédance , où l'impédance est la capacité d'un milieu à entraver ou à ralentir la transmission de l'énergie. Pour les applications optiques , ceci est caractérisé par l' indice de réfraction .
• Les phénomènes de diffusion inélastique impliquent un échange d'énergie entre le rayonnement X et la matière, ce qui modifie la longueur d'onde du rayonnement diffusé. Il s'agit notamment de la diffusion Raman et Compton .
• La spectroscopie cohérente ou de résonance repose sur des techniques où l'énergie radiative couple deux états quantiques du matériau par une interaction cohérente maintenue par le champ rayonnant. Cette cohérence peut être perturbée par d'autres interactions, telles que les collisions de particules et les transferts d'énergie, et nécessite donc souvent un rayonnement de haute intensité pour être maintenue. La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode de résonance largement utilisée, et la spectroscopie laser ultrarapide est possible dans les régions spectrales infrarouge et visible.
• La spectroscopie nucléaire est une méthode qui utilise les propriétés de noyaux spécifiques pour sonder la structure locale de la matière, principalement la matière condensée , les molécules dans les liquides ou les liquides congelés et les biomolécules.
• La spectroscopie quantique est une technique générale utilisée dans les pièges à ions qui permet une spectroscopie de précision d'ions dont les structures internes empêchent le refroidissement laser , la manipulation d'état et la détection. Les opérations de logique quantique permettent à un ion contrôlable d'échanger des informations avec un ion co-piégé possédant une structure électronique complexe ou inconnue.

Les études spectroscopiques sont conçues pour que l' énergie rayonnante interagisse avec des types de matière spécifiques. Ces études se divisent en trois grandes catégories : la spectroscopie électronique , qui mesure la transition des électrons entre différents états d'énergie par absorption ou émission d'énergie visible ou ultraviolette ; la spectroscopie vibronique des molécules induite par l'absorption d'énergie infrarouge ; et la spectroscopie rotationnelle des molécules provoquée par l'énergie micro-onde. Les deux dernières peuvent être combinées en spectroscopie rotationnelle-vibrationnelle d'un gaz.

La spectroscopie atomique fut la première application de la spectroscopie. La spectroscopie d'absorption atomique et la spectroscopie d'émission atomique utilisent la lumière visible et ultraviolette. Ces absorptions et émissions, souvent appelées raies spectrales atomiques, sont dues aux transitions électroniques des électrons de la couche externe lorsqu'ils passent d'une orbite électronique à une autre. Les atomes présentent des spectres de rayons X caractéristiques, attribuables à l'excitation des électrons des couches internes vers des états excités.

Les atomes de différents éléments possèdent des spectres distincts ; la spectroscopie atomique permet donc d’identifier et de quantifier la composition élémentaire d’un échantillon. Après l’invention du spectroscope par Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff , Bunsen découvrit le césium et le rubidium en observant leurs spectres d’émission . Les raies d’absorption atomique, observées dans le spectre solaire, sont appelées raies de Fraunhofer , du nom de leur découvreur . Une explication complète du spectre de l’hydrogène constitua l’un des premiers succès de la mécanique quantique et expliqua le déplacement de Lamb observé dans ce spectre , ce qui mena au développement de l’électrodynamique quantique .

Les applications modernes de la spectroscopie atomique pour l'étude des transitions visibles et ultraviolettes comprennent la spectroscopie d'émission de flamme , la spectroscopie d'émission atomique par plasma à couplage inductif , la spectroscopie de décharge luminescente , la spectroscopie de plasma induit par micro-ondes [ la spectroscopie d'émission par étincelle ou arc . Les techniques d'étude des spectres de rayons X comprennent la spectroscopie des rayons X et la fluorescence des rayons X .

La combinaison d'atomes en molécules conduit à la création d'états énergétiques uniques et, par conséquent, de spectres uniques pour les transitions entre ces états. Les spectres moléculaires peuvent être obtenus grâce aux états de spin électronique ( résonance paramagnétique électronique ), aux rotations moléculaires , aux vibrations moléculaires et aux états électroniques. Les rotations sont des mouvements collectifs des noyaux atomiques et donnent généralement lieu à des spectres dans les régions spectrales des micro-ondes et des ondes millimétriques. La spectroscopie rotationnelle et la spectroscopie micro-ondes sont synonymes. Les vibrations sont des mouvements relatifs des noyaux atomiques et sont étudiées par spectroscopie infrarouge et Raman . Les excitations électroniques sont étudiées par spectroscopie visible et ultraviolette, ainsi que par spectroscopie de fluorescence .

Les études en spectroscopie moléculaire ont conduit au développement du premier maser et ont contribué au développement ultérieur du laser .

La combinaison d'atomes ou de molécules en cristaux ou autres formes étendues engendre la création d'états énergétiques supplémentaires. Ces états sont nombreux et présentent donc une densité élevée. Cette densité élevée rend souvent les spectres plus faibles et moins distincts, c'est-à-dire plus larges. Par exemple, le rayonnement du corps noir est dû aux mouvements thermiques des atomes et des molécules au sein d'un matériau. Les réponses acoustiques et mécaniques sont également dues à des mouvements collectifs. Les cristaux purs, en revanche, peuvent présenter des transitions spectrales distinctes, et l'arrangement cristallin influence les spectres moléculaires observés. La structure cristalline régulière des cristaux diffuse les rayons X , les électrons ou les neutrons , permettant ainsi des études cristallographiques.

Les noyaux possèdent des états d'énergie distincts, très éloignés les uns des autres, qui donnent lieu à des spectres de rayons gamma . Ces différents états de spin nucléaire peuvent être séparés en énergie par un champ magnétique, ce qui permet la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire .

D'autres types de spectroscopie se distinguent par des applications ou des mises en œuvre spécifiques :

• La spectroscopie de résonance acoustique est basée sur les ondes sonores principalement dans les régions audibles et ultrasonores .
• La spectroscopie d'électrons Auger est une méthode utilisée pour étudier les surfaces de matériaux à l'échelle micrométrique. Elle est souvent utilisée en association avec la microscopie électronique.
• La spectroscopie d'absorption par cavité résonante permet de mesurer l' extinction optique absolue d'échantillons qui diffusent et absorbent la lumière.
• La spectroscopie de dichroïsme circulaire mesure l'absorption différentielle de la lumière polarisée circulairement à gauche et à droite .
• La spectroscopie Raman anti-Stokes cohérente est une technique récente qui présente une sensibilité élevée et des applications puissantes pour la spectroscopie et l'imagerie in vivo .
• La spectroscopie de fluorescence atomique à vapeur froide est une sous-classe de la technique de spectroscopie d'émission atomique qui mesure les traces de métaux lourds volatils dans l'air, tels que le mercure.
• La spectroscopie de corrélation englobe plusieurs types de spectroscopie RMN bidimensionnelle.
• La spectroscopie transitoire de niveau profond mesure la concentration et analyse les paramètres des défauts électriquement actifs dans les matériaux semi-conducteurs .
• La spectroscopie diélectrique mesure les propriétés diélectriques d'un milieu en fonction de la fréquence .
• L'interférométrie à double polarisation mesure les composantes réelle et imaginaire de l'indice de réfraction complexe.
• Spectroscopie de perte d'énergie des électrons en microscopie électronique à transmission.
• La spectroscopie phénoménologique électronique mesure les propriétés physico-chimiques et les caractéristiques de la structure électronique des systèmes moléculaires multicomposants et complexes.
• La spectroscopie de résonance paramagnétique électronique est similaire à la résonance magnétique nucléaire (RMN), sauf qu'elle mesure l' excitation de spin des électrons non appariés .
• La spectroscopie de force est un ensemble de techniques permettant d'étudier les interactions et les forces de liaison entre molécules individuelles, bien que le nom soit quelque peu trompeur car il n'y a pas de véritable interaction matière-rayonnement.
• La spectroscopie par transformée de Fourier est une méthode efficace de traitement des données spectrales obtenues par interférométrie. La spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier est une application de la spectroscopie infrarouge. La RMN utilise également les transformées de Fourier .
• La spectroscopie gamma mesure les émissions de rayons gamma provenant de processus à haute énergie, y compris des sources radioactives et astrophysiques.
• La spectroscopie hadronique étudie le spectre énergie/masse des hadrons en fonction de leur spin , de leur parité et d'autres propriétés. La spectroscopie baryonique et la spectroscopie mésonique sont des types de spectroscopie hadronique.
• L'imagerie multispectrale et l'imagerie hyperspectrale sont des méthodes permettant de créer une image complète de l'environnement ou de divers objets, chaque pixel contenant un spectre visible complet, un spectre visible proche infrarouge, un spectre proche infrarouge ou un spectre infrarouge.
• La spectroscopie par effet tunnel inélastique d'électrons utilise les variations de courant dues à l'interaction inélastique électron-vibration à des énergies spécifiques qui peuvent également mesurer les transitions optiquement interdites.
• La diffusion inélastique des neutrons est similaire à la spectroscopie Raman, mais utilise des neutrons au lieu de photons.
• La spectroscopie de claquage induit par laser , également appelée spectrométrie de plasma induit par laser, est un type de spectroscopie d'émission atomique qui utilise une impulsion laser hautement énergétique comme source d'excitation
• La spectroscopie laser utilise des lasers accordables et d'autres types de sources d'émission cohérentes, comme les oscillateurs paramétriques optiques , pour l'excitation sélective d'espèces atomiques ou moléculaires.
• La spectroscopie de diffusion de la lumière (LSS) est une technique spectroscopique généralement utilisée pour évaluer les changements morphologiques des cellules épithéliales afin d'étudier les tissus muqueux et de détecter les cancers précoces et les lésions précancéreuses .
• La spectrométrie de masse est un terme historiquement utilisé pour désigner la spectroscopie de masse . Il est aujourd'hui recommandé d'utiliser ce dernier terme. Le terme « spectroscopie de masse » provient de l'utilisation d' écrans phosphorescents pour détecter les ions.
• La spectroscopie Mössbauer sonde les propriétés de noyaux isotopiques spécifiques dans différents environnements atomiques en analysant l'absorption résonante des rayons gamma . Voir effet Mössbauer .
• La spectroscopie d'écho de spin neutronique mesure la dynamique interne des protéines et d'autres systèmes de matière molle .
• La résonance quadripolaire nucléaire est une méthode de spectroscopie chimique, basée sur la RMN du gradient de champ électrique (GCE) en l'absence de champ magnétique.
• La corrélation angulaire perturbée (PAC) utilise des noyaux radioactifs comme sonde pour étudier les champs électriques et magnétiques ( interactions hyperfines ) dans les cristaux ( matière condensée ) et les biomolécules.
• La spectroscopie photoacoustique est la mesure de l'effet de l'énergie électromagnétique absorbée sur la matière au moyen d'une détection acoustique.
• La spectroscopie d'émission acoustique est la mesure des ondes acoustiques lorsqu'un matériau est déformé.
• La spectroscopie de photoémission mesure l'énergie ou le spin des électrons émis par les matériaux par l' effet photoélectrique .
  • La spectroscopie photoélectronique à rayons X est une technique d'analyse de surface qui utilise un faisceau de rayons X pour effectuer une spectroscopie de photoémission
• La spectroscopie photothermique mesure la chaleur dégagée lors de l'absorption du rayonnement.
• La spectroscopie pompe-sonde peut utiliser des impulsions laser ultrarapides pour mesurer les intermédiaires de réaction à l'échelle de temps de la femtoseconde.
• La spectroscopie d' activité optique Raman exploite la diffusion Raman et les effets d'activité optique pour révéler des informations détaillées sur les centres chiraux des molécules.
• La spectroscopie Raman est utilisée pour déterminer les modes de vibration des molécules, fournissant une empreinte structurale permettant d'identifier les molécules.
• La spectroscopie saturée utilise une technique à double laser pour supprimer les profils Doppler des signaux spectroscopiques des atomes chauds. Elle procède en mesurant le signal spectral des atomes se déplaçant perpendiculairement au laser.
• La spectroscopie à effet tunnel utilise un microscope à effet tunnel pour mesurer les caractéristiques courant-tension d'une surface et construire une carte de la structure électronique.
• La spectrophotométrie associe un spectromètre à un photomètre pour mesurer l'intensité énergétique à différentes longueurs d'onde. Elle peut être utilisée pour déterminer les propriétés de réflexion ou de transmission d'une substance.
• La spectroscopie du bruit de spin permet de suivre les fluctuations spontanées des spins électroniques et nucléaires.
• La spectroscopie résolue en temps mesure les taux de décroissance des états excités à l'aide de diverses méthodes spectroscopiques.
• Spectroscopie d'étirement temporel
• La spectroscopie infrarouge thermique mesure le rayonnement thermique émis par les matériaux et les surfaces et permet de déterminer le type de liaisons présentes dans un échantillon ainsi que leur environnement cristallin. Ces techniques sont largement utilisées par les chimistes organiciens, les minéralogistes et les planétologues .
• La spectroscopie de réseau transitoire mesure la propagation des quasi-particules. Elle permet de suivre les changements dans les matériaux métalliques lorsqu'ils sont irradiés.
• spectroscopie photoélectronique ultraviolette
• Spectroscopie ultraviolet-visible
• Spectroscopie de dichroïsme circulaire vibrationnel
• spectroscopie vidéo

La spectroscopie trouve de nombreuses applications en médecine, en physique, en chimie et en astronomie. Tirant parti des propriétés d' absorption et, en astronomie, d'émission , elle permet d'identifier certains états de la nature. L'utilisation de la spectroscopie dans de nombreux domaines scientifiques et pour de nombreuses applications a conduit à la création de sous-domaines spécialisés. En voici quelques exemples :

• Détermination de la structure atomique d'un échantillon
• Étude des raies d’émission spectrales du soleil et des galaxies lointaines
• Exploration spatiale
• Surveillance du durcissement des composites à l'aide de fibres optiques .
• Estimation des temps d’exposition du bois altéré à l’aide de la spectroscopie proche infrarouge
• Mesure de différents composés dans des échantillons alimentaires par spectroscopie d'absorption dans les spectres visible et infrarouge
• Mesure des composés toxiques dans les échantillons de sang
• Analyse élémentaire non destructive par fluorescence X
• Recherche sur la structure électronique avec différents spectroscopes
• Décalage vers le rouge pour déterminer la vitesse et la vélocité d'un objet distant
• Déterminer la structure métabolique d'un muscle
• Surveillance de la teneur en oxygène dissous dans les écosystèmes d’eau douce et marins
• Modifier la structure des médicaments pour en améliorer l'efficacité
• Caractérisation des protéines
• Analyse des gaz respiratoires dans les hôpitaux
• Détermination des propriétés physiques d'une étoile lointaine ou d'une exoplanète proche à l'aide de l' effet Doppler relativiste .
• Sexage in ovo : la spectroscopie permet de déterminer le sexe de l’œuf pendant son éclosion. Développée par des entreprises françaises et allemandes, cette technique a conduit les deux pays à interdire l’élimination des poussins , principalement effectuée par broyage, en 2022.
• Surveillance des processus dans le contrôle des processus industriels

L'histoire de la spectroscopie commence avec les expériences d'optique d' Isaac Newton (1666-1672). Selon Andrew Fraknoi et David Morrison , « en 1672, dans le premier article qu'il soumit à la Royal Society , Isaac Newton décrivit une expérience au cours de laquelle il fit passer la lumière du soleil à travers un petit orifice, puis à travers un prisme. Newton découvrit que la lumière du soleil, qui nous apparaît blanche, est en réalité composée d'un mélange de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. » Newton employa le terme « spectre » pour décrire l'ensemble des couleurs qui se combinent pour former la lumière blanche et qui sont révélées lorsque cette lumière blanche traverse un prisme.

Fraknoi et Morrison affirment qu’« en 1802, William Hyde Wollaston construisit un spectromètre amélioré, muni d’une lentille permettant de focaliser le spectre solaire sur un écran. Lors de son utilisation, Wollaston constata que les couleurs n’étaient pas réparties uniformément, mais présentaient des zones de couleurs manquantes, apparaissant sous forme de bandes sombres dans le spectre. » Au début du XIXe siècle, Joseph von Fraunhofer réalisa des progrès expérimentaux avec les spectromètres dispersifs, permettant à la spectroscopie de devenir une technique scientifique plus précise et quantitative. Depuis lors, la spectroscopie a joué et continue de jouer un rôle important en chimie, en physique et en astronomie. Selon Fraknoi et Morrison, « plus tard, en 1815, le physicien allemand Joseph Fraunhofer examina le spectre solaire et découvrit environ 600 raies sombres (couleurs manquantes), aujourd’hui connues sous le nom de raies de Fraunhofer ou raies d’absorption. »

Les spectres des atomes et des molécules sont souvent constitués d'une série de raies spectrales, chacune représentant une résonance entre deux états quantiques différents. L'explication de ces séries, et des motifs spectraux qui leur sont associés, a constitué l'une des énigmes expérimentales qui ont motivé le développement et l'acceptation de la mécanique quantique. La série spectrale de l'hydrogène, en particulier, a été expliquée avec succès pour la première fois par le modèle quantique de Rutherford-Bohr de l'atome d'hydrogène. Dans certains cas, les raies spectrales sont bien séparées et discernables, mais elles peuvent se chevaucher et apparaître comme une seule transition si la densité d'états d'énergie est suffisamment élevée. Parmi les séries de raies nommées, on trouve les séries principale , fine , diffuse et fondamentale .

La spectroscopie s'est imposée comme une pratique de plus en plus courante au sein du mouvement maker , permettant aux amateurs et aux enseignants de construire des spectromètres fonctionnels à partir de matériaux facilement disponibles. Utilisant des composants tels que des réseaux de diffraction de CD/DVD, des smartphones et des pièces imprimées en 3D, ces instruments offrent une approche pratique de la compréhension des interactions lumière-matière. Les applications pour smartphones ainsi que les outils open source facilitent l'intégration et simplifient considérablement l'acquisition et l'analyse des données spectrales. Malgré certaines limitations en termes de résolution, de précision d'étalonnage et de gestion de la lumière parasite par rapport aux équipements professionnels, la spectroscopie DIY offre des expériences pédagogiques précieuses et contribue aux initiatives de science participative, favorisant ainsi l'accès aux techniques spectroscopiques.