Interaction lumière-matière

Exercice 1. Nature des transitions ★

Application du cours · 15 min · Khôlle

On relève des absorptions à $254~\mathrm{nm}$, à $450~\mathrm{nm}$, à $3{,}4~\mu\mathrm{m}$, à $1715~\mathrm{cm^{-1}}$ et à $1{,}0~\mathrm{cm}$.

Associer à chacune un domaine et la nature de la transition.

Exercice 5. Vibration du chlorure d'hydrogène ★★

Classiques de khôlle et concours · 30 min · Écrit Agro-Véto

$\mathrm{H^{35}Cl}$ absorbe à $2890~\mathrm{cm^{-1}}$.

On modélise la liaison par un oscillateur harmonique de masse réduite $$\mu = \frac{m_{\mathrm{H}}\, m_{\mathrm{Cl}}}{m_{\mathrm{H}} + m_{\mathrm{Cl}}},$$ avec $$M_{\mathrm{H}} = 1{,}0~\mathrm{g\cdot mol^{-1}}, \qquad M_{\mathrm{Cl}} = 35~\mathrm{g\cdot mol^{-1}}.$$ On admet que la bande observée correspond à la transition du niveau $n = 0$ au niveau $n = 1$.

Nature de la transition, raideur $k$, et position de la bande pour $\mathrm{D^{35}Cl}$.

Exercice 2. Identifier deux spectres ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle

Deux courbes concernent la même espèce.

La courbe A, graduée en $\mathrm{L\cdot mol^{-1}\cdot cm^{-1}}$, culmine à $492~\mathrm{nm}$.

La courbe B, graduée en unités arbitraires, culmine à $518~\mathrm{nm}$.

Elles se recouvrent entre $495$ et $510~\mathrm{nm}$.

Identifier les spectres et chiffrer le déplacement de Stokes.

Exercice 4. Pourquoi le photon émis est moins énergétique ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle

On excite la fluorescéine soit à $440~\mathrm{nm}$, soit à $490~\mathrm{nm}$.

Expliquer pourquoi le spectre d'émission a la même forme dans les deux cas, et pourquoi son maximum, vers $515~\mathrm{nm}$, est situé à une longueur d'onde plus grande que le maximum d'absorption, vers $490~\mathrm{nm}$.

Exercice 3. Durée de vie à partir de mesures ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Khôlle

Après une impulsion, on mesure $I$ en unités arbitraires : 607 à $2~\mathrm{ns}$, 368 à $4~\mathrm{ns}$, 223 à $6~\mathrm{ns}$, 135 à $8~\mathrm{ns}$, 82 à $10~\mathrm{ns}$ et 50 à $12~\mathrm{ns}$.

Le rendement quantique vaut $0{,}40$.

Déterminer $\tau$, $\tau_{\mathrm{rad}}$, $k_r$ et $k_{nr}$.

Exercice 10. Inhibition par les ions iodure ★★★

Approfondissement · 45 min · Écrit ENS, plus exigeant

On ajoute à un fluorophore des ions iodure en large excès, qui désactivent l'état excité selon un acte d'ordre 1 par rapport à chaque réactif, de constante $k_q$.

On mesure $\tau = 4{,}0~\mathrm{ns}$ sans iodure, $2{,}86~\mathrm{ns}$ pour $0{,}020~\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ et $2{,}0~\mathrm{ns}$ pour $0{,}050~\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$.

Établir la loi, puis déterminer $k_q$.

La relation obtenue, dite de Stern-Volmer, n'est pas exigible en tant que telle.

Exercice 6. Bilan énergétique d'un fluorophore ★

Application du cours · 20 min · Écrit Agro-Véto

Une solution de fluorescéine, avec $\Phi = 0{,}90$, absorbe $1{,}0~\mathrm{mW}$ à $490~\mathrm{nm}$ et émet en moyenne à $515~\mathrm{nm}$.

Puissance émise, puissance dissipée, et comparaison avec le $\beta$-carotène.

Exercice 7. Révélation d'une chromatographie ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Écrit G2E

On élue sur une plaque contenant un indicateur fluorescent à $254~\mathrm{nm}$ un mélange de benzophénone, d'anthracène et de cyclohexanol.

Prévoir l'aspect sous $254~\mathrm{nm}$ et sous $365~\mathrm{nm}$, puis proposer une solution pour le constituant invisible.

Exercice 8. Imagerie à deux couleurs ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Écrit Agro-Véto

Une cellule exprime la protéine fluorescente verte, qui absorbe à $488~\mathrm{nm}$ et émet à $507~\mathrm{nm}$, et une protéine rouge qui absorbe à $587~\mathrm{nm}$ et émet à $610~\mathrm{nm}$.

On dispose de lasers à $488$ et $561~\mathrm{nm}$ et de filtres d'émission.

Proposer les réglages et discuter la contamination entre canaux.

Exercice 9. Dosage par fluorescence et domaine de linéarité ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Écrit G2E

L'intensité de fluorescence vaut $$F = K\,(1 - 10^{-A}),$$ avec $$A = \varepsilon\,\ell\,c.$$ On donne $$\varepsilon = 5{,}0\cdot 10^{3}~\mathrm{L\cdot mol^{-1}\cdot cm^{-1}}, \qquad \ell = 1{,}0~\mathrm{cm}.$$ Domaine de linéarité et intérêt par rapport à l'absorbance.