Guide de base sur l’analyse des caractéristiques des particules-4

Technique 2 : Diffusion dynamique de la lumière 

  La spectroscopie de corrélation de photons (PCS) ou la diffusion quasi-élastique de la lumière (QELS), également appelée diffusion dynamique de la lumière (DLS), est une technique bien établie et non intrusive pour mesurer la taille des particules et polymères dans la plage allant de 1 micron à moins de 1 nanomètre.

  Cette méthode permet de mesurer des échantillons composés de particules en suspension dans des liquides tels que les protéines, les polymères, les micelles, les glucides, les nanoparticules, les dispersions colloïdales et les émulsions.

Avantages clefs :
      • Gamme idéale de tailles pour les nano-matériaux et biomatériaux
      • Petite quantité d’échantillon requise
      • Analyse rapide et rendement élevé
      • Technique non intrusive permettant la récupération complète des échantillons

Principe

  Les particules flottantes effectuent un mouvement brownien à cause des collisions induites thermiquement entre ces particules et les molécules de solvant.

  Lorsqu’un laser éclaire les particules, l’intensité de la lumière diffusée fluctue rapidement selon une échelle de temps très courte, variant avec la taille des particules. Les petites particules sont déplacées plus loin par les molécules de solvant et bougent plus rapidement. L’analyse de ces fluctuations d’intensité permet de calculer la vitesse du mouvement brownien et, par raisonnement, de déduire la taille des particules à travers la relation de Stokes-Einstein.

  Le diamètre mesuré par DLS est appelé diamètre hydrodynamique, réfère à la manière dont la particule se diffuse dans le fluide. Ce diamètre obtenu correspond au diamètre d’une particule sphérique ayant le même coefficient de diffusion de translation que la particule mesurée. 

 

  L’illustration du diamètre hydrodynamique enregistré par DLS, plus grand que le diamètre ‘noyau’, démontre que le coefficient de diffusion de translation est non seulement déterminé par la taille du ‘noyau’ du particule mais aussi par toute structure de surface aléatoire, ainsi que potentiellement influencé par la concentration et le type d’ions dans le milieu. Cela signifie que la mesure peut donner un diamètre plus grand que celui obtenu par microscopie électronique, qui peut refléter l’influence de retirer les particules de leur environnement naturel.

  DLS fournit une distribution granulométrique pondérée en intensité, ce qui signifie que les particules plus grosses peuvent dominer les résultats granulométriques, un aspect important à comprendre.

Appareil

  Les équipements traditionnels de diffusion dynamique de la lumière consistent en une source laser focalisée sur l’échantillon à l’aide de lentilles.

  La lumière est diffusée par les particules dans toutes les directions et l’intensité de la lumière diffusée est collectée par un seul détecteur traditionnellement placé à un angle de 90° par rapport au faisceau laser.

  Les fluctuations d’intensité de la lumière diffusée sont converties en impulsions électriques alimentant un correlateur numérique. Cela produit une fonction d’autocorrélation d’où la taille des particules est calculée.

NIBS

  Les équipements modernes introduisent la technologie NIBS (Non-Invasive Backscatter) pour élargir la gamme de tailles et de concentrations d’échantillons mesurables.

  Cette fonctionnalité de mesure de taille dans l’équipement détecte la lumière diffusée à 173°, comme montré ci-dessous.Cela est connu comme la détection par rétro-diffusion, et les composants optiques n’étant pas en contact avec l’échantillon, le détecteur est dit non intrusif.

  Les avantages de l’utilisation de la détection par rétro-diffusion non intrusive sont nombreux.
      • Sensibilité améliorée.
      • Une plus grande variété de concentrations d’échantillons peut être mesurée. 

      • Préparation simplifiée de l’échantillon. 

(a)  Pour les petites particules ou des échantillons à faible concentration, il est avantageux de maximiser la quantité de lumière diffusée par l’échantillon. Lorsque le laser traverse le mur de la cuvette, la différence de l’indice de réfraction entre l’air et le matériau de la cuvette peut provoquer des ‘réflexions parasites’. Ces réflexions peuvent interférer avec le signal des particules diffusées. En déplaçant le point de mesure depuis le mur de la cuvette vers le centre de la cuvette, cet effet peut être éliminé.

(b)  Les particules de grande taille ou les échantillons à haute concentration diffusent plus de lumière. En mesurant plus près du mur de la cuvette, la longueur du chemin traversé par la lumière diffusée est minimisée, ce qui réduit l’effet de diffusion multiple. 

Technique 3: Technologie d’imagerie automatique

  La technologie d’imagerie automatique est une technique de haute résolution pour l’analyse des caractéristiques des particules d’une taille allant d’environ 1 micron à quelques millimètres.

  Les images individuelles des particules sont capturées à partir d’un échantillon dispersé, analysées pour déterminer leur taille, forme et autres caractéristiques physiques. Un grand nombre de particules, allant de dizaines à des dizaines de milliers, est mesuré en une seule analyse afin de fournir une distribution statistiquement représentative.

  Dans un système d’imagerie statique, l’échantillon dispersé reste immobile, tandis que dans un système d’imagerie dynamique, l’échantillon s’écoule au travers du système optique de capture d’image. Cette technique est fréquemment utilisée conjointement avec les méthodes de mesure granulométrique basées sur un ensemble, comme la diffraction laser, pour obtenir une compréhension plus approfondie ou pour vérifier de telles méthodes sur base d’ensemble. Les applications typiques sont les suivantes:

      •  Mesure des variations de forme qui ne peuvent pas être distinguées par la seule taille
      •  Détection et/ou énumération de grandes particules ou d’agglomérats      réglage des paramètres de mélange
      •  Mesure de la taille des particules asphériques comme les cristaux en forme
      •  Validation des mesures de granulométrie basées sur un ensemble

Appareil

  Un système d’imagerie automatique typique se compose de trois éléments principaux.

1. Présentation et dispersion de l’échantillon
      Cette étape est cruciale pour obtenir des résultats valides, c’est-à-dire une séparation spatiale adéquate de chaque particule et agglomérat visibles.

      Différentes méthodes de présentation de l’échantillon peuvent être appliquées en fonction du type d’échantillon et de la méthode de mesure utilisée. La mesure par imagerie dynamique implique un échantillon traversant une cellule en flux pendant la mesure. En imagerie statique, des surfaces planes telles que des lames de miroir, des plaques de verre ou des membranes de filtre sont utilisées. Pour éviter toute variabilité due à l’opérateur, des méthodes de dispersion automatisées sont recommandées. 

 

 

  

2. Optiques de capture d’images

      Les images des particules individuelles sont capturées avec les objectifs et caméras CCD numériques adaptés à l’échantillon en cours de mesure.

      Un système d’imagerie statique apporte plus de flexibilité en termes d’illumination de l’échantillon, par exemple avec le rétro-éclairage, le diascopique, l’éclairage en champ sombre, etc., alors que les systèmes d’imagerie dynamique éclairent typiquement par l’arrière de l’échantillon.  

      Pour les matériaux biréfringents, comme les cristaux, des optiques de polarisation peuvent être utilisées. Le système d’imagerie dynamique le plus avancé maintient un bon focus sur de très petites particules à l’aide d’un mécanisme de flux de gaine hydrodynamique.

  

 

3. Logiciel d’analyse de données

      L’équipement standard mesure et enregistre diverses propriétés morphologiques pour chaque particule individuelle.

      Les systèmes les plus avancés intègrent des options de classement et de création de graphique dans le logiciel de façon à ce que les données pertinentes puissent être extraites aussi simplement que possible des résultats de la mesure à travers une interface visuelle intuitive.  

      Les images en niveaux de gris de chaque particule fournissent une validation qualitative des résultats quantitatifs obtenus. 

 

 

Technique 4 : Diffusion de lumière électrophorétique (ELS)

La diffusion de lumière électrophorétique (ELS) est une technique utilisée pour mesurer la mobilité électrophorétique des particules dispersées ou des molécules dans une solution. Cette mobilité est souvent convertie en potentiel zêta, permettant une comparaison directe entre les substances sous des conditions expérimentales variées.

  Le principe physique de base est l’électrophorèse. Une dispersion est placée dans une cellule avec deux électrodes.

  Un champ électrique est appliqué aux électrodes, entraînant la mobilité des particules ou molécules chargées vers l’électrode chargée opposée. La vitesse de migration de ces particules ou molécules, leur mobilité électrophorétique, est directement liée à leur potentiel zêta.