Diffusion dynamique de la lumière – Termes commerciaux définis

1. Taille moyenne Z (Taille moyenne Z)

      La taille moyenne Z, ou médiane moyenne Z, utilisée dans la diffusion dynamique de la lumière est un paramètre également connu sous le nom de médiane cumulative. C’est le paramètre le plus important et le plus stable généré par cette technique. Comme la médiane moyenne Z est définie par l’ISO 13321 et plus récemment par l’ISO 22412, il s’agit de la meilleure valeur à rapporter lors de l’utilisation dans les réglementations de contrôle qualité, et la norme ISO définit cette médiane comme le ‘diamètre moyen des particules en intensité harmonique’.

  La taille moyenne Z peut être comparée à la taille mesurée par d’autres techniques si l’échantillon est monodispersé (c’est-à-dire un seul pic), sphérique ou quasi-sphérique en forme et monodispersé (c’est-à-dire une distribution très étroite), et si l’échantillon est correctement dispersé dans un dispersant approprié, car la médiane moyenne Z peut être sensible aux petites variations de l’échantillon, c’est-à-dire la présence de petites quantités d’agglomérats. Il est important de noter que la moyenne Z est un paramètre hydrodynamique et ne peut s’appliquer qu’aux particules dispersées ou aux molécules en solution. 

2. Analyse des cumulants

     C’est une manière simple d’analyser la fonction d’autocorrélation générée par des expériences DLS. Le calcul est défini par l’ISO 13321 et l’ISO 22412. Il s’agit d’une extension de moments, donc il peut générer beaucoup de valeurs, mais seuls les deux premiers termes sont réellement utilisés.

  C’est-à-dire que les termes utilisés sont la moyenne (moyenne Z) et le paramètre de largeur connu sous le nom d’indice de polydispersité (PdI). La moyenne Z est un calcul basé sur l’intensité et ne doit pas être confondue ou directement comparée à des moyennes de masse ou de nombre produites par d’autres méthodes. Le calcul est défini par les normes ISO. Par conséquent, tout système qui utilise ces calculs, conformément aux recommandations, devrait fournir des résultats comparables, à condition qu’ils utilisent le même angle de diffusion.

3. Indice de polydispersité (Indice de polydispersité)

     Cet indice est un nombre calculé à partir d’un ajustement simple à deux paramètres des données de corrélation (analyse de cumulants). L’indice de polydispersité ne possède pas de dimensions et l’échelle est ajustée pour que des valeurs inférieures à 0,05 apparaissent rarement, sauf pour des matériaux standard très monodispersés. Une valeur supérieure à 0,7 indique que l’échantillon a une distribution très large et peut ne pas être adapté à la technique de diffusion dynamique de la lumière (DLS).

  Les différentes tailles des algorithmes de distribution sont utilisés avec les données comprises entre ces deux limites. Le calcul de ce paramètre est défini dans les documents standards ISO 13321:1996 E et ISO 22412:2008.

4. Polydispersité

     Dans la diffusion de la lumière, la polydispersité et le % de polydispersité sont dérivés de l’indice de polydispersité, un paramètre obtenu de l’analyse de cumulants de la fonction d’autocorrélation en intensité mesurée par DLS. Dans l’analyse des cumulants, on suppose un mode de taille unique de particules et un ajustement exponentiel est appliqué à la fonction d’autocorrélation. La monodispersité décrit la largeur d’une distribution de Gauss supposée. Dans l’analyse des protéines, un % de polydispersité inférieur à 20 % indique que l’échantillon est monodispersé. 

5. Coefficient de diffusion

     Les particules et les molécules en suspension/solution subissent des mouvements browniens. Ce mouvement est causé par l’impact des molécules de solvant se déplaçant en raison de l’énergie thermique. Lorsqu’une particule ou une molécule est exposée à la lumière laser, l’intensité de la lumière diffusée fluctue selon la taille des particules, car les petites particules sont plus fortement heurtées par les molécules de solvant et se déplacent plus rapidement.

  En analysant ces fluctuations d’intensité, la vitesse du mouvement brownien peut être calculée, permettant ainsi de déterminer la taille des particules en utilisant la relation de l’équation de Stokes-Einstein. Par conséquent, le coefficient de diffusion définit le mouvement brownien des solutés ou des particules dans un environnement de solvant donné. Ce coefficient de diffusion translationnelle dépend de la concentration et du type d’ions présents dans le milieu, ainsi que de la taille et de la structure de surface des particules.

5. Diamètre hydrodynamique

     La taille hydrodynamique mesurée par diffusion dynamique de la lumière (DLS) est définie comme « la taille d’une sphère équivalente se diffusant à la même vitesse que la particule mesurée ». Cependant, en réalité, les particules ou macromolécules en solution ne sont pas sphériques ; elles sont dynamiques (tournantes) et hydratées. En conséquence, le diamètre calculé, basé sur les caractéristiques de diffusion des particules, représente la taille apparente des particules hydratées/dynamiques. Ainsi, le terme de diamètre hydrodynamique est apparu. Le diamètre hydrodynamique ou diamètre de Stokes est donc le diamètre d’une sphère possédant le même coefficient de diffusion translationnelle, mesuré en supposant une couche d’hydratation autour des particules ou molécules.

6. Courbe de corrélation – ou fonction de corrélation

(Courbe de corrélation – ou fonction de corrélation)

     Les données mesurées lors d’une expérience DLS sont une courbe de corrélation, une fonction de décroissance exponentielle pour une dispersion de particules de taille unique et homogène. La courbe de corrélation contient toutes les informations de diffusion concernant les particules présentes dans l’échantillon mesuré. En ajustant la courbe de corrélation à une fonction exponentielle, le coefficient de diffusion (D) peut être calculé (D est proportionnel au taux de décroissance exponentielle).

  En connaissant le coefficient de diffusion (D), le diamètre hydrodynamique peut être calculé en utilisant une variante de l’équation de Stokes-Einstein. Pour les échantillons polydispersés, la courbe est une somme exponentielle des différents taux de décroissance.

7. Ordonnée à l’origine ou intercept

     Dans la DLS, l’ordonnée à l’origine, ou simplement intercept, se réfère à l’intersection de la courbe de corrélation avec l’axe y du graphique de corrélation. L’ordonnée y est utilisée pour évaluer le rapport signal/bruit de l’échantillon mesuré et est souvent utilisée pour évaluer la qualité des données. L’échelle est ajustée pour que le signal idéal présente une valeur de 1, un bon système doit fournir une ordonnée à l’origine supérieure à 0,6, tandis que les meilleurs systèmes fournissent une ordonnée à l’origine supérieure à 0,9.

8. Déconvolution ou algorithme de déconvolution

(Déconvolution ou algorithme de déconvolution)

     Une approche algorithmique pour décomposer le mélange exponentiel dérivé d’un échantillon polydispersé en plusieurs valeurs d’intensité associées à des bandes de taille individuelle. La distribution des tailles de particules obtenue par DLS est dérivée de la déconvolution de la fonction d’autocorrélation d’intensité mesurée de l’échantillon. En général, cela est effectué en utilisant l’algorithme d’ajustement des moindres carrés non négatifs (NNLS), l’exemple typique étant CONTIN.

9. Taux de comptage ou taux de comptage de photons

(Taux de comptage ou taux de comptage de photons)

     Dans la DLS, cela fait simplement référence au nombre de photons détectés, habituellement exprimé par « par seconde ». Il est utile pour déterminer la qualité de l’échantillon en surveillant la stabilité en fonction du temps, et également pour régler les paramètres de l’appareil tels que les réglages de l’atténuateur et le temps d’analyse. Le taux de comptage doit être au-dessus d’une certaine valeur minimale pour s’assurer qu’il y a suffisamment de signal pour l’analyse. Cependant, chaque détecteur a un taux de comptage maximal où la réponse reste linéaire. Si le taux de comptage n’est pas automatiquement ajusté, les recommandations du fabricant doivent être respectées pour ajuster le taux de comptage.

10. Distribution d’intensité

     Le résultat principal provenant des expériences DLS est la distribution d’intensité de la taille des particules. La distribution d’intensité est naturellement pondérée selon l’intensité de diffusion de chaque fraction ou population de particules. Dans le cas des substances biologiques ou des polymères, l’intensité de diffusion des particules est proportionnelle au carré de la masse moléculaire. Ainsi, la distribution d’intensité peut être un peu trompeuse car elle indique la présence de petites quantités d’agrégats ou de groupes de particules plus importants qui dominent la distribution. Cependant, ces distributions peuvent être utilisées comme un détecteur sensible à la présence de plus gros matériaux dans l’échantillon.

11. Distribution de volume

     Bien que la distribution principale de la taille générée par DLS soit basée sur l’intensité, elle peut être convertie en une distribution de volume, qui décrit la proportion relative des différentes composantes dans un échantillon sur la base de la masse ou du volume, en lieu et place de l’intensité, grâce à la théorie de Mie.

  Pour convertir la distribution d’intensité en distribution de volume/massique, quatre hypothèses doivent être acceptées :

• Toutes les particules doivent être sphériques
• Toutes les particules doivent être homogènes
• Les propriétés optiques des particules, telles que les composantes réelles et imaginaires de l’indice de réfraction, doivent être connues
• La distribution d’intensité doit être exempte d’erreurs

  Il est particulièrement important de comprendre ces hypothèses car la méthode DLS elle-même génère intrinsèquement une distribution ayant tendance à amplifier les pics.

Par conséquent, il y aura toujours une certaine erreur dans la présentation de la distribution d’intensité.

Il est donc préférable de rapporter la taille des pics sur la base de

l’analyse d’intensité et de rapporter uniquement les pourcentages relatifs (et non les tailles) de l’analyse de distribution de volume à des fins comparatives ou en cas de modes ou de pics multiples.

Sachez que ces distributions dérivées d’intensité ne doivent jamais être considérées comme absolues.