Façonner l’avenir de la caractérisation des particules par la diffusion de la lumière

Cette interview a été publiée à l’origine sur AZoM.com le 7 juillet 2025.

La diffusion de la lumière a longtemps été une technique essentielle dans la caractérisation des particules à travers un large éventail de disciplines scientifiques. Des produits pharmaceutiques à la production alimentaire, et de la nanomédecine à l’analyse environnementale, sa polyvalence et sa précision la rendent indispensable. Alors que l’innovation technologique s’accélère, de nouveaux défis et opportunités reshaping l’application de la diffusion de la lumière, notamment à mesure que l’automatisation, l’IA et les méthodes de détection avancées se mettent en avant.

Dans cette interview, AZoMaterials s’entretient avec des experts de Malvern Panalytical, une entreprise à l’avant-garde de l’innovation en matière de diffusion de la lumière, pour explorer le paysage actuel de la technique et son potentiel futur. 

La diffusion de la lumière est depuis des décennies un outil fondamental dans la caractérisation des particules. Pouvez-vous nous donner un bref aperçu de son fonctionnement et expliquer pourquoi elle est si essentielle ?

La diffusion de la lumière est une technique polyvalente et non invasive utilisée pour caractériser les particules dispersées. Il existe des différences dans la façon dont fonctionnent les techniques individuelles de diffusion de la lumière, mais le même principe fondamental s’applique – à savoir, lorsque un faisceau de lumière interagit avec des particules dispersées, il est diffusé dans diverses directions.

Par exemple, la diffraction laser est utilisée pour obtenir des informations sur la taille des particules allant de l’échelle submicronique à plusieurs millimètres. Dans ce cas, nous nous intéressons à la dépendance angulaire moyenne dans le temps de la lumière diffusée, qui dépend des tailles et de la distribution de taille des particules dispersées. En mesurant l’intensité de la lumière diffusée sur un large éventail angulaire, il est possible de calculer une distribution de taille de particules (PSD).

D’un autre côté, la diffusion dynamique de la lumière (DLS) est utilisée pour des particules à l’échelle nanométrique (de quelques microns à nanomètres). La diffusion des nanoparticules est toujours dépendante de l’angle, à des degrés divers, mais au lieu de se concentrer sur les données angulaires, nous nous intéressons à la dépendance temporelle de la diffusion. Nous mesurons l’intensité de la diffusion au fil du temps à un ou plusieurs angles spécifiques – les angles utilisés dépendent des informations requises. La rapidité ou la lenteur de la variation de l’intensité de la diffusion au fil du temps est liée au mouvement brownien des particules dispersées. Cela nous donne donc une mesure de leur taille et de la largeur de distribution (polydispersité), et une analyse secondaire peut fournir des distributions de taille.

La diffusion de la lumière est essentielle car elle fournit des mesures absolues sans la nécessité de normes de calibration externes, ce qui la rend très fiable pour caractériser une large gamme de types d’échantillons. Déterminer des propriétés telles que la taille, la forme et le poids moléculaire des particules est crucial pour débloquer une compréhension de la façon dont les matériaux et les processus fonctionneront dans des domaines aussi variés que les produits pharmaceutiques, la fabrication de batteries et l’exploitation minière.

Malvern Panalytical a longtemps été un pionnier dans le domaine de la diffusion de la lumière, en particulier avec des gammes d’instruments comme Mastersizer (pour la diffraction laser) et Zetasizer (pour la diffusion de la lumière).

Quels sont certains des progrès les plus significatifs dans les techniques de diffusion de la lumière ces dernières années, et comment ont-ils amélioré la caractérisation des particules ?

Un domaine de progrès significatif a été les capacités de traitement informatique, qui ont considérablement amélioré la gestion des données dans les techniques de diffusion de la lumière. Les systèmes de diffusion de la lumière, comme le Mastersizer, tirent parti de puissants processeurs pour analyser des ensembles de données plus volumineux avec une plus grande rapidité et précision ; et la possibilité d’utiliser l’informatique en nuage élargira encore la puissance de traitement. Cette capacité est cruciale pour l’étude d’échantillons complexes et l’obtention de distributions de taille de particules détaillées. Le traitement de données amélioré soutient également des algorithmes intelligents qui peuvent différencier les variations subtiles dans les distributions de taille de particules, ce qui offre ensuite des perspectives plus approfondies des propriétés des échantillons.

Les types de mesure adaptatifs de Malvern Panalytical – la corrélation adaptative sur la série Zetasizer Advance et la diffraction adaptive sur le Mastersizer 3000+ ajustent dynamiquement les paramètres de mesure en fonction des données en temps réel, optimisant la précision et la fiabilité des résultats. Ces innovations garantissent que nos instruments fournissent la caractérisation de particules la plus précise et la plus détaillée de votre échantillon et donnent à nos utilisateurs confiance en leurs données.

D’autres nouvelles approches pour effectuer des mesures de diffusion de la lumière ont été introduites au cours de la dernière décennie. La diffusion dynamique multiangle (MADLS) utilisée par le Zetasizer est significative. MADLS mesure la lumière diffusée à plusieurs angles, fournissant une analyse complète des distributions de taille de particules dans les échantillons polydispersés ainsi qu’une plus grande précision pour les échantillons monomodaux. Cette approche améliore la précision des mesures et est particulièrement utile pour les échantillons complexes avec une large gamme de tailles de particules.

Et puis il y a l’automatisation et l’intelligence artificielle, qui commencent à être incorporées dans les instruments de diffusion de la lumière grand public. L’automatisation consiste à permettre en partie un débit plus élevé pour pouvoir tester plus d’échantillons et réduire le besoin d’intervention de l’opérateur, qui peut être une source importante d’incertitude. L’IA, d’autre part, ouvre de nombreuses possibilités passionnantes pour la gestion des données et l’obtention de perspectives sur vos données.

L’un des défis de la diffusion de la lumière est d’analyser avec précision les systèmes polydispersés ou complexes. Quelles stratégies ou innovations aident à surmonter ces limites ?

L’analyse des systèmes polydispersés ou complexes peut être difficile, et nous voyons de plus en plus d’échantillons devenir plus complexes de cette manière. Heureusement, les innovations apportées par Malvern Panalytical, telles que la diffusion dynamique multiangle (MADLS) et les techniques de traitement d’image avancées, aident à surmonter ces limites. MADLS, par exemple, fournit une analyse plus complète en mesurant la lumière diffusée à plusieurs angles, améliorant la précision de la distribution de taille dans les échantillons polydispersés et fournissant une réflexion plus précise de la distribution de taille de l’échantillon en supprimant les biais angulaires. Les plateformes expérimentales combinant la diffusion de la lumière avec des capteurs d’image ont montré leur potentiel dans l’analyse des systèmes complexes.

Comment les domaines émergents comme la nanotechnologie et les biopharmaceutiques influencent-ils l’évolution des méthodes de diffusion de la lumière ?

Des techniques de diffusion de la lumière telles que la DLS ont été très importantes dans la caractérisation de certaines avancées récentes et émergentes, par exemple, des nanomédicaments – non seulement pour leur taille de base mais aussi pour comprendre la stabilité de leur formulation et leur biodisponibilité. Ces systèmes sont bien plus complexes que les émulsions ou dispersions typiques, car ils sont également fonctionnels. Ils doivent être dans la « disposition » correcte et maintenir cette structure pour fonctionner. Cela nous pousse à examiner comment nous pouvons mieux compléter les données de diffusion de la lumière pour fournir ces perspectives de plus en plus importantes dans ces nouveaux domaines d’application.

Vous avez mentionné l’automatisation et l’IA comme deux domaines de progrès pour la diffusion de la lumière. Pouvez-vous développer sur la façon dont vous voyez ces technologies façonner l’avenir de la diffusion de la lumière dans la recherche et l’industrie ?

Une tendance récurrente que nous avons observée est une déqualification progressive des utilisateurs de systèmes de diffusion de la lumière. Tous les utilisateurs ne souhaitent pas ou n’ont pas le temps de devenir expert sur le Mastersizer ou le Zetasizer, par exemple. Les chercheurs et scientifiques industriels font face à des demandes croissantes sur leur temps et les ressources disponibles pour eux, et beaucoup veulent que les instruments de diffusion de la lumière fassent le plus de ‘travail lourd’ possible en ce qui concerne le flux de mesure. Les solutions automatisées, telles que le Zetasizer Sample Assistant, peuvent prendre en charge la manipulation et la présentation des échantillons, tandis que des outils comme le SOP Architect du Mastersizer peuvent aider les utilisateurs à développer leur méthode.

L’automatisation et l’IA aident également à répondre au besoin croissant de haut débit d’échantillons et de vastes ensembles de données. Les clients ont besoin de grandes quantités de données fiables, garantissant que la qualité et la quantité sont respectées.

Quelles sont certaines des applications les plus inattendues ou révolutionnaires de la diffusion de la lumière qui ont émergé récemment?

L’un des grands avantages de la diffusion de la lumière est qu’elle s’applique à la plupart des industries et domaines de recherche, et cela nous est rappelé maintes et maintes fois dans le travail fascinant, et parfois inattendu, réalisé par nos clients.

Une application notable est le développement de vaccins, notamment pendant la pandémie de COVID-19, où la diffusion de la lumière a été cruciale. Le Zetasizer est devenu un outil essentiel pour les développeurs de vaccins, les aidant à analyser la taille et la stabilité des nanoparticules utilisées dans les vaccins. Cette technologie a assuré l’efficacité et la sécurité des vaccins, contribuant de manière significative au développement et au déploiement rapides des vaccins COVID-19.

Nous voyons également un intérêt croissant pour les microplastiques, et pour une bonne raison. Les microplastiques sont de minuscules morceaux de plastique de moins de 5 mm de taille qui proviennent d’articles quotidiens comme les plastiques à usage unique, les vêtements et les produits de soins personnels. Ces plastiques pénètrent dans l’environnement et la chaîne alimentaire, posant des risques pour la santé humaine et l’écosystème. Le projet MOMENTUM aux Pays-Bas utilise la diffusion de la lumière pour caractériser les microplastiques. En utilisant le Mastersizer, ses chercheurs peuvent dimensionner les échantillons et créer des « Passeports Microplastiques », qui aident à suivre et à comprendre l’impact de ces polluants.

Un dernier exemple d’une application nouvelle et passionnante est la fermentation de précision. Cela implique l’utilisation de microbes modifiés, tels que des bactéries, levures ou champignons, pour produire des ingrédients fonctionnels comme des protéines pour les substituts de viande ou de produits laitiers. Cette méthode gagne du terrain alors que le monde cherche à réduire l’impact environnemental de l’agriculture traditionnelle et à renforcer la résilience de l’approvisionnement alimentaire mondial. La diffusion de la lumière est essentielle dans ce processus pour contrôler la taille des particules afin de garantir que les produits alimentaires ont une structure cohérente et sont agréables à manger. Elle aide à évaluer la stabilité des protéines pour prévenir l’agrégation et les pertes possibles de rendement.

En termes de précision et de sensibilité de mesure, quels sont les principaux domaines dans lesquels la technologie de diffusion de la lumière évolue encore?

La technologie de diffusion de la lumière continue d’évoluer, même après des décennies de développement soutenu. Quelques domaines clés se distinguent en termes de précision et de sensibilité de mesure.

L’un de ces domaines clés est l’amélioration de la technologie des détecteurs, qui ont considérablement amélioré la précision et la sensibilité des mesures de diffusion de la lumière. Les détecteurs modernes, tels que les caméras CCD haute sensibilité, les diodes avalanche (APDs) et les réseaux de photodiodes, sont désormais plus efficaces pour capturer les signaux de lumière diffuse. Ces avancées permettent une meilleure détection des signaux de faible intensité, cruciaux pour l’analyse de petites particules ou d’échantillons à basse concentration.

Malvern Panalytical améliore la sensibilité de la diffraction laser pour les particules grossières. Le Mastersizer 3000+ a introduit des fonctionnalités innovantes comme Size Sure, utilisant la Diffraction Adaptive, qui aide à cela. C’est particulièrement important pour les industries telles que la fabrication de batteries, où les particules grossières peuvent provoquer des court-circuits de la cathode et de l’anode.

Le domaine de la diffusion de la lumière progresse également grâce au développement de meilleures pratiques pour le développement de méthodes et les mesures. Par exemple, la publication ISO/TS 5973 fournit des directives complètes pour les mesures de diffraction laser, couvrant tout, de la préparation des échantillons à l’interprétation des données. Cette norme aide à garantir que les mesures sont cohérentes et fiables, ce qui est essentiel pour atteindre une haute précision et sensibilité dans les expériences de diffusion de la lumière.

Alors que les industries poussent pour une caractérisation des particules en temps réel et en ligne, quels défis et opportunités cela présente-t-il pour les techniques de diffusion de la lumière ?

La caractérisation des particules en ligne devient de plus en plus courante dans l’industrie à mesure qu’ils recherchent des retours immédiats sur leurs processus et essaient de réduire la nécessité de laboratoires pour effectuer une caractérisation hors ligne, qui peut être coûteuse. Ce passage de hors ligne à en ligne présente des défis pour la diffusion de la lumière. À chaque défi, il y a l’opportunité de développer davantage les techniques de diffusion de la lumière et d’exploiter d’autres technologies pour trouver une solution.

L’un des principaux défis consiste à garantir l’équivalence entre les méthodes de caractérisation en ligne et hors ligne. Vous pourriez être intéressé par la comparaison des données de différents états de la chaîne d’approvisionnement, par exemple, lors du traitement en utilisant des méthodes en ligne et du contrôle qualité (QC) en utilisant des méthodes hors ligne. Dans le scénario idéal, vous voudrez que les résultats des techniques s’accordent. Cependant, les deux approches, hors ligne et en ligne, nécessitent généralement des différences méthodologiques, telles que l’installation optique, qui peuvent affecter la distribution enregistrée de la taille des particules (PSD). Par exemple, il est possible d’utiliser séquentiellement des sources lumineuses de différentes longueurs d’onde pour étendre votre gamme de taille mesurée dans les situations hors ligne, où l’échantillon peut être recirculé ; ce n’est pas vraiment possible pour l’échantillonnage en ligne.

La gestion des échantillons à haute concentration présente un autre défi. Dans de nombreux processus industriels, la concentration en particules peut être élevée, ce qui entraîne des problèmes de diffusion multiple, où les particules interfèrent avec les signaux de diffusion des autres. Pour les mesures hors ligne ou à la ligne, la solution serait de diluer l’échantillon, mais pour les mesures en ligne, ce n’est pas une option. Cela peut compliquer l’analyse et réduire la précision des mesures de taille des particules. Des techniques comme la diffraction adaptative et des algorithmes avancés sont en cours de développement pour atténuer ces effets et améliorer la fiabilité des mesures.

Détecter un petit nombre de particules grossières est critique dans des industries telles que la fabrication d’encres et de peinture, où même quelques grandes particules peuvent avoir un impact significatif sur la qualité du produit. Une analyse rapide et complète est requise pour s’assurer que les particules grossières ne sont pas manquées.

Pour les chercheurs et scientifiques qui cherchent à progresser dans ce domaine, quels domaines d’étude ou d’innovation pensez-vous offrir le plus de promesse ?

Comme dans de nombreux autres domaines, l’intelligence artificielle détient sans aucun doute le plus de promesse. Nous voyons déjà comment elle façonne notre capacité à fournir des outils utiles pour fournir des données de haute qualité à partir d’instruments en moins de temps. Je suis très enthousiaste de voir comment l’intelligence artificielle pourrait être utilisée à l’avenir pour rassembler les données de la diffusion de la lumière avec d’autres techniques de caractérisation pour développer une compréhension encore plus profonde de la façon dont les échantillons se comportent ou pourraient être prévus pour se comporter.

Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d’informations?

Veuillez fournir des liens vers des documents qui pourraient être pertinents pour notre public.

• Diffusion de la lumière – Une vue d’ensemble | Malvern Panalytical
• Mastersizer | Analyseurs de taille de particules par diffraction laser | Malvern Panalytical
• Zetasizer | Instruments experts en diffusion de la lumière | Malvern Panalytical

• Techniques de Dimensionnement des Particules : Choisir la Bonne Méthode pour Votre Application
• Quelle cuvette devrais-je utiliser avec mon Zetasizer ?
• PDI à partir d’un pic individuel en DLS
• D90, D50, D10 et écart – pour DLS ?
• Quel est l’importance de l’indice de réfraction des nanoparticules ?

À propos de Darrell Bancarz

Darrell Bancarz est un chef de produit expérimenté spécialisé dans les nanomatériaux chez Malvern Panalytical, basé dans le Worcestershire, en Angleterre. Avec plus de vingt ans dans l’entreprise, il apporte une expertise approfondie en instrumentation scientifique et en analyse de matériaux. Avant son rôle actuel, Darrell a été manager des services d’applications, contribuant à des solutions centrées sur le client et un support technique. Son travail soutient l’innovation en science des matériaux et en fabrication avancée.

À propos de Paul Senior

Paul Senior est un chef de produit spécialisé dans les micro-matériaux chez Malvern Panalytical, responsable de la gamme Mastersizer. Avec plus de huit ans d’expérience en caractérisation des matériaux, il a travaillé dans des CRO, en R&D d’instruments et en gestion de produits. Ses intérêts incluent la rhéologie et la caractérisation des particules à l’aide de techniques telles que la diffraction laser, DLS, NTA, Morphologi et l’analyse de surface BET.