Le spectrophotomètre DU ou DU Beckman a été le premier instrument scientifique commercialisé pour mesurer la quantité de lumière absorbée par une substance. Ce modèle de spectrophotomètre a permis aux scientifiques d’examiner et d’identifier facilement des substances spécifiques sur la base de leur spectre d’absorption, c’est-à-dire le schéma de la lumière absorbée à différentes longueurs d’onde : 148 National Technical Laboratories (devenu Beckman Instruments) a développé trois modèles prototypes artisanaux (A, B et C) et un modèle à distribution limitée (D) avant de passer à la production complète du DU, qui a été introduit en 1941. Environ 30 000 spectrophotomètres DU ont été produits et vendus entre 1941 et 1976.
Mesurant à la fois le spectre visible et ultraviolet, le spectrophotomètre DU produisait des résultats plus précis et réduisait considérablement le temps nécessaire pour déterminer avec précision la composition chimique d’une substance complexe, qui passait de plusieurs semaines à quelques heures ou minutes.
Le spectrophotomètre Beckman Ultraviolet-Visible (UV-Vis) DU a été essentiel pour la recherche sur divers projets secrets pendant la Seconde Guerre mondiale. Schmidt lui attribue « une percée dans la spectroscopie optique ». Il a été identifié comme l’un des « instruments les plus essentiels » de la science d’après-guerre, et « probablement l’instrument le plus important qui ait été développé pour l’avancement des biosciences ».
Le premier prototype de spectrophotomètre Beckman, le modèle A, a été mis au point aux National Technical Laboratories en 1940. Il utilisait du tungstène comme source lumineuse et un prisme de Fery en verre comme monochromateur. Un amplificateur externe du capteur de pH Beckman et un tube à vide avec cellule photoélectrique étaient utilisés pour détecter la longueur d’onde.
On s’est rapidement rendu compte que le prisme de verre n’était pas adapté au spectre ultraviolet et on l’a donc remplacé par un prisme de quartz, ce qui a donné le modèle B. Dans le modèle B, un mécanisme de barre tangente était utilisé pour régler le monochromateur. Ce mécanisme était très sensible et nécessitait un opérateur qualifié.
Trois nouveaux instruments pour le modèle C ont été construits, améliorant la résolution en longueur d’onde. Le compartiment à cellules rotatives du modèle B a été remplacé par une chambre linéaire. Le mécanisme de la barre tangente a été remplacé par un mécanisme d’entraînement coulissant, qui a été contrôlé plus précisément en réajustant le prisme de quartz et en sélectionnant la longueur d’onde souhaitée. Grâce à ce nouveau mécanisme, les résultats sont obtenus plus facilement et de manière plus fiable, sans qu’il soit nécessaire de faire appel à un expert. Ce fut le début de tous les instruments à prisme de quartz Beckman.
Les modèles A, B et C étaient équipés d’un capteur de pH externe Beckman fixé au composant optique pour obtenir les lectures. Au cours du développement du modèle D, Beckman a utilisé un circuit amplificateur de courant continu du capteur de pH et l’a combiné avec des composants optiques et électroniques dans un seul boîtier, ce qui l’a rendu plus économique, et le modèle D a utilisé une lampe à hydrogène comme source lumineuse plutôt que du tungstène. Le passage du prototype à la production du modèle D a impliqué un certain nombre de difficultés. À l’origine, Beckman avait demandé à Baush and Lomb de fabriquer le prisme en quartz du spectrophotomètre. La société ayant décliné l’offre, les National Technical Laboratories ont conçu leur propre système optique, y compris le mécanisme de contrôle et le prisme de quartz. L’obtention de prismes de quartz de haute qualité optique et de la bonne taille a été une tâche ardue. Les oscillateurs radio provenaient du Brésil et étaient très demandés en raison de la guerre. Beckman a dû soumettre une liste de priorités en temps de guerre afin d’obtenir des quantités suffisantes de quartz pour le spectrophotomètre.
L’entreprise a conçu sa propre lampe à hydrogène pour le modèle D, y compris une anode dans une fine fenêtre en verre soufflé. De même, la conception de l’instrument exigeait un phototube plus sensible que ceux qui étaient disponibles dans le commerce à l’époque. Beckman a obtenu de petits lots d’un phototube expérimental de RCA pour le premier modèle D. Le spectrophotomètre modèle D, utilisant le phototube expérimental de RCA, a été présenté lors d’une conférence estivale sur la spectroscopie au MIT en juillet 1941. C’est le premier modèle à entrer en production, et seul un petit nombre d’instruments du modèle D a été vendu avant qu’il ne soit remplacé par le DU.
Lorsque RCA n’a pas été en mesure de répondre à la demande de phototubes expérimentaux Beckman, les National Technical Laboratories ont dû revoir la conception de leurs propres composants. Avec l’ajout des nouveaux phototubes sensibles aux UV, le modèle D est devenu le spectrophotomètre UV-Vis modèle DU. Comme pour le capteur de pH, Beckman a remplacé un ensemble compliqué d’équipements par un instrument simple et facile à utiliser. L’une des premières « boîtes noires » utilisées dans les laboratoires de chimie modernes, il a été vendu 723 dollars en 1941.
Conception
La production a commencé en 1941 et s’est arrêtée en 1976, date à laquelle le modèle DU a été abandonné. Il s’agissait d’un instrument à faisceau unique : 11 Le spectrophotomètre DU utilisait un prisme en quartz pour séparer la lumière en son spectre d’absorption et un phototube pour mesurer électriquement l’énergie lumineuse sur l’ensemble du spectre. Cela permettait à l’utilisateur de tracer le spectre de la lumière absorbée par une substance afin d’obtenir une « empreinte digitale » standardisée caractéristique du composé : 151 Tous les spectrophotomètres UV-Vis modernes sont construits sur les mêmes principes que le spectrophotomètre DU.
Utilisations
Les spectrophotomètres modèles D et DU ont été les premiers instruments faciles à utiliser contenant les composants optiques et électroniques nécessaires à la spectrophotométrie d’absorption dans l’ultraviolet : 153 L’utilisateur pouvait insérer l’échantillon, indiquer la longueur d’onde souhaitée et lire la quantité d’absorption à cette fréquence sur un compteur. Une série de lectures à différentes longueurs d’onde peut être effectuée sans perturber l’échantillon. En travaillant à la fois avec les régions ultraviolettes et visibles du spectre, le modèle D produisait des spectres d’absorption précis, qui pouvaient être facilement obtenus et reproduits avec précision. Le National Bureau of Standards a effectué plusieurs tests pour certifier que les résultats de l’UA étaient précis et reproductibles, et a donc recommandé son utilisation : 156
La méthode de balayage manuel du spectrophotomètre DU était extrêmement rapide, réduisant les temps d’analyse de plusieurs semaines à quelques heures ou minutes, et était précise dans les spectres visible et ultraviolet. Il était précis à la fois dans le spectre visible et dans le spectre ultraviolet. Parmi les avantages, citons sa haute résolution et la minimisation de la lumière parasite dans la région ultraviolette. Bien qu’il ne soit pas bon marché, son prix était abordable pour la plupart des scientifiques.
Impact
Le spectrophotomètre DU de Beckman a été qualifié de « modèle T » des instruments scientifiques. Il a permis aux chercheurs d’effectuer des analyses plus simples de mélanges chimiques en prenant différentes mesures à plus d’une longueur d’onde pour produire un spectre d’absorption décrivant entièrement la substance. « Cet appareil a simplifié et coordonné à jamais l’analyse chimique, permettant aux chercheurs d’obtenir des mesures quantitatives d’une substance avec une précision de 99,9 % en quelques minutes, alors qu’il fallait auparavant des semaines pour obtenir des résultats avec une précision de 25 % seulement » Selon Theodore L. Brown, il a « révolutionné la mesure des signaux lumineux provenant d’échantillons « 2 Le lauréat du prix Nobel Bruce Merrifield aurait qualifié le spectrophotomètre DU de « probablement l’instrument le plus important jamais mis au point pour l’avancement des biosciences ».
Le développement du spectrophotomètre a eu un impact direct sur la Seconde Guerre mondiale et sur l’effort de guerre américain. Le rôle des vitamines dans la santé a suscité un vif intérêt, les scientifiques souhaitant identifier les aliments riches en vitamine A afin de maintenir les soldats en bonne santé. Les méthodes précédentes utilisées pour évaluer les niveaux de vitamine A consistaient à nourrir des rats pendant plusieurs semaines, puis à effectuer une biopsie pour estimer les niveaux de vitamine A ingérés. En revanche, l’analyse d’un échantillon d’aliment à l’aide du spectrophotomètre DU fournissait de meilleurs résultats en quelques minutes. Le spectrophotomètre DU pouvait être utilisé pour étudier à la fois la vitamine A et ses précurseurs, les caroténoïdes. Il est rapidement devenu la méthode préférée d’analyse spectrophotométrique.
Le spectrophotomètre DU était également un outil important pour les scientifiques qui étudiaient et produisaient le nouveau médicament miracle, la pénicilline.
Le développement de la pénicilline était une mission nationale secrète, impliquant 17 sociétés pharmaceutiques, visant à fournir de la pénicilline à tous les soldats américains engagés dans la Seconde Guerre mondiale. Il était bien connu que la pénicilline était beaucoup plus efficace que les sulfamides et que son utilisation réduisait la mortalité, la gravité des traumatismes à long terme et le temps de rétablissement. 158 Cependant, sa structure n’était pas comprise, les procédés utilisés pour l’isoler et générer des cultures pures étaient primitifs et la production à l’aide de techniques de culture de surface était lente. Au Northern Regional Research Laboratory de Peoria, dans l’Illinois, les chercheurs ont collecté et examiné plus de 2 000 spécimens de moisissures (ainsi que d’autres micro-organismes). La vaste équipe de recherche comprenait les docteurs Robert Coghill, Norman Heatly, Andrew Moyer, la bactériologiste de laboratoire Mary Hunt, Frank H. Stodola et Morris E. Friedkin. Friedkin note qu’un modèle antérieur du spectrophotomètre DU de Beckman a été utilisé par les chercheurs de pénicilline à Peoria. Le laboratoire de Peoria a réussi à isoler et à produire commercialement des souches supérieures de la moisissure, qui étaient 200 fois plus efficaces que celles découvertes par Alexander Fleming. À la fin de la guerre, les sociétés pharmaceutiques américaines produisaient 650 milliards d’unités de pénicilline par mois. Une grande partie du travail effectué dans ce domaine pendant la Seconde Guerre mondiale a été gardée secrète jusqu’à l’après-guerre. : 158
De même, le spectrophotomètre DU a été utilisé pour l’analyse critique des hydrocarbures dans le pétrole brut. Certains hydrocarbures présentaient un intérêt pour l’effort de guerre. Le toluène, un hydrocarbure présent dans le pétrole brut, était utilisé pour la production de TNT à usage militaire : 158-159 Le benzène et les butadiènes étaient utilisés pour la production de caoutchouc synthétique. Le caoutchouc, utilisé pour les pneus des véhicules tout-terrain, des avions et des chars d’assaut, manque cruellement car les États-Unis sont coupés des réserves étrangères de caoutchouc naturel. Le Rubber Reserve Bureau a réuni des chercheurs des universités et de l’industrie pour travailler secrètement sur ce problème. La demande de caoutchouc synthétique a incité Beckman Instruments à développer le spectrophotomètre infrarouge, qui était plus adapté à la mesure des longueurs d’onde des hydrocarbures : 159
Gerty Cori et son mari Carl Ferdinand Cori ont reçu le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1947 en reconnaissance de leurs travaux sur les enzymes. Ils ont fait plusieurs découvertes essentielles pour comprendre le métabolisme des glucides, notamment l’isolement et la découverte de l’ester de Cori, le glucose 1-phosphate, et la compréhension du cycle de Cori. Ils ont déterminé que l’enzyme phosphorylase catalyse la formation de glucose 1-phosphate, qui est la première et la dernière étape de la conversion du glycogène en glucose et du glucose sanguin en glycogène. Gertry Cori a également été le premier à démontrer qu’un défaut de l’enzyme pouvait être à l’origine de maladies génétiques chez l’homme. Le spectrophotomètre Beckman DU a été utilisé par Cori en laboratoire pour calculer les concentrations d’enzymes, y compris la phosphorylase.
Arthur Kornberg a travaillé avec Severo Ochoa, apprenant le processus de purification enzymatique de l’aconitase, et a passé six mois en 1947 dans le laboratoire de Cori, « l’endroit le plus dynamique en biochimie à l’époque », avant de retourner au National Institute of Health (NIH) en 1948. Il a également utilisé le spectrophotomètre DU.
Kornberg et Bernard L. Horecker ont utilisé le spectrophotomètre Beckman DU pour l’analyse des enzymes en mesurant le NADH et le NADPH. Ils ont déterminé leurs coefficients d’extinction, établissant ainsi la base des mesures quantitatives dans les réactions impliquant des nucléotides. Ce travail est devenu l’un des articles les plus cités en biochimie : 115 Kornberg a étudié les nucléotides dans la synthèse de l’ADN, isolant la première enzyme polymérisante (ADN polymérase I) en 1956, ce qui lui a valu le prix Nobel de physiologie et de médecine avec Severo Ochoa en 1959.
L’ADN absorbe la lumière ultraviolette avec une longueur d’onde proche de 260 nm. Inspiré par les travaux d’Oswald Avery sur l’ADN, Erwin Chargaff a utilisé le spectrophotomètre DU dans les années 1940 pour mesurer les concentrations relatives des bases de l’ADN : 260, 290-302 Sur la base de ces recherches, il a formulé les règles de Chargaff. Dans la première analyse quantitative complète de l’ADN, il a signalé une correspondance presque égale des paires de bases de l’ADN, le nombre d’unités de guanine était égal au nombre d’unités de cytosine, et le nombre d’unités d’adénine était égal au nombre d’unités de thymine. Il a également montré que les quantités relatives de guanine, de cytosine, d’adénine et de thymine variaient d’une espèce à l’autre. En 1952, Chargaff rencontre Francis Crick et James D. Watson et leur fait part de ses découvertes. Watson et Crick déterminent, sur la base de leurs idées, la structure de l’ADN.
La spectroscopie dans l’ultraviolet trouve une large application en biologie moléculaire, notamment dans l’étude de la photosynthèse. Elle a été utilisée pour étudier diverses plantes à fleurs et fougères par des chercheurs du département de biologie, de physiologie végétale et de sciences agricoles, ainsi que de génétique moléculaire.
Particulièrement utile pour détecter la présence de doubles liaisons conjuguées, la nouvelle technologie a permis à des chercheurs tels que Ralph Holman et George O. Burr d’étudier les graisses alimentaires, avec des implications importantes pour l’alimentation humaine. Le spectrophotomètre DU a également été utilisé pour étudier les stéroïdes par des chercheurs tels qu’Alejandro Zaffaroni, qui a contribué au développement de la pilule contraceptive, du patch à la nicotine et des corticostéroïdes.
Modèles ultérieurs
L’équipe de Beckman a fini par développer d’autres modèles, ainsi qu’une variété d’accessoires ou de pièces jointes qui pouvaient être utilisés pour modifier l’UA en vue de différents travaux. L’un des premiers accessoires était une flamme couplée à un photomultiplicateur plus puissant qui permettait à l’utilisateur d’examiner la flamme d’éléments tels que le potassium, le sodium et le césium (1947). 11
Dans les années 1950, Beckman Industries a mis au point le DR et le DK, tous deux dotés d’un spectrophotomètre ultraviolet à double faisceau. Le DK porte le nom de Wilbur I. Kaye, qui l’a mis au point en modifiant le DU et en étendant sa portée à l’infrarouge. Il a effectué le travail initial et Eastman Kodak (Tennessee) a ensuite été racheté par Beckman Instruments. Les modèles DK ont introduit une fonction d’enregistrement automatique. Le DK-1 utilisait un défilement non linéaire et le DK-2 un défilement linéaire pour enregistrer automatiquement le spectre : 21
Le DR intégrait un « opérateur robot » qui pouvait réinitialiser les boutons DU dans une séquence complète pour mesurer à différentes longueurs d’onde, de la même manière qu’un opérateur humain générait des résultats à partir du spectre entier. Il utilisait une navette linéaire à quatre positions et une mégastructure pour changer les boutons. Le coût des spectrophotomètres enregistreurs était nettement plus élevé que celui des spectrophotomètres non enregistreurs.
Le DK était dix fois plus rapide que le DR, mais moins précis. Il utilisait un photomultiplicateur, ce qui introduisait une source d’erreur : 21 La vitesse du DK le rendait plus populaire que le DR. Kaye a finalement développé le DKU, qui combinait les fonctions infrarouges et ultraviolettes en un seul instrument, mais il était plus cher que les autres modèles.
Le dernier spectrophotomètre DU a été fabriqué le 6 juillet 1976.