La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une technique de mesure établie et précise pour la caractérisation de la taille des particules dans les suspensions et les émulsions. Microtrac est un pionnier de la technologie d'analyse des particules et développe depuis plus de 30 ans des systèmes optiques basés sur la diffusion dynamique de la lumière.
La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une technique de mesure établie et précise pour caractériser la taille des particules dans les suspensions et les émulsions. Elle est basée sur le mouvement brownien des particules, selon lequel les petites particules se déplacent plus rapidement, tandis que les grandes particules se déplacent plus lentement dans un liquide. La lumière diffusée par les particules contient des informations sur la vitesse de diffusion et donc sur la distribution des tailles.
La diffusion dynamique de la lumière permet d'analyser des particules dont la taille varie de 0,3 nm à 10000 nm. Alors que la diffraction laser (LD) atteint souvent ses limites pour les particules inférieures à 100 nm en raison de la faiblesse du signal et de la faible variance angulaire du signal de diffusion, c'est là que réside la force de la diffusion dynamique de la lumière.
C'est une technique adaptée à l'analyse et à la caractérisation des nanoparticules. Parmi les autres avantages, citons les mesures d'échantillons très concentrés et très dilués, et la possibilité de déterminer le potentiel zêta, le poids moléculaire et la concentration, qui est intégrée à de nombreux analyseurs.
Les coefficients de diffusion (D) des particules sont inversement proportionnels à la taille (dp, diamètre hydrodynamique) des particules selon la relation de Stokes-Einstein.
(k=constante de Boltzmann, T=température, η=viscosité)
Pour déterminer avec précision la taille des particules, il faut connaître la valeur exacte des paramètres T (température) et η (viscosité) du liquide.
La technique de diffusion dynamique de la lumière (DLS) mesure optiquement le mouvement en enregistrant le signal de lumière diffusée à un angle fixe. Les particules sont éclairées par une source de lumière cohérente monochromatique (laser) et la lumière diffusée par les particules est enregistrée.
La fluctuation temporelle du signal de lumière diffusée est importante ici, car elle contient des informations sur le mouvement des particules. Les fluctuations sont dues au fait que les particules qui diffusent la lumière se déplacent les unes par rapport aux autres, ce qui entraîne des interférences en constante évolution dans la lumière diffusée totale. La lumière diffusée par les particules contient donc de légers décalages de fréquence causés par la position ou la vitesse des particules en fonction du temps. Mesuré dans le temps, le mouvement provoque une distribution des décalages de fréquence.
Ces décalages de fréquence peuvent être déterminés par comparaison avec une référence optique cohérente. Dans la diffusion dynamique de la lumière, les fréquences de décalage sont de l'ordre de 1 Hz à 100 kHz, ce qui peut être facilement mesuré.
Il existe deux approches pour la référence optique : la détection homodyne (également appelée "self-beating" ou "self-reference" ou "autoréférence") et la détection hétérodyne ("reference beating" ou "controlled reference" ou "référence contrôlée").
Dans l'approche homodyne, la lumière diffusée elle-même fournit la référence pour déterminer le décalage de fréquence. Par contre, la référence contrôlée, ou détection hétérodyne, superpose la lumière diffusée à une partie de la lumière incidente, qui fournit la référence pour déterminer les décalages de fréquence. Dans les deux méthodes, le signal du détecteur qui en résulte contient une distribution de fréquences qui est représentative de la taille des particules en suspension.
Parmi les deux approches, le mode hétérodyne avec "référence contrôlée" offre de nombreux avantages par rapport à la configuration homodyne dans un analyseur de diffusion dynamique de la lumière. Le plus important d'entre eux est l'intensité du signal. Celle-ci est proportionnelle à is2, l'intensité moyenne de la lumière diffusée au carré, dans la mesure homodyne. En revanche, l'intensité du signal dans la mesure hétérodyne est proportionnelle à is x i0, le produit de l'intensité diffusée et de l'intensité de la référence.
Il en résulte un signal de mesure beaucoup plus fort et permet l'utilisation de diodes laser comme source de lumière et de photodiodes en silicium comme détecteur. L'amélioration de l'intensité du signal facilite également la mesure de très petites particules à faible diffusion, jusqu'à la gamme inférieure du nanomètre.
λ= longueur d'onde dans la suspension, ω = fréquence, ωo = fréquence de la particule à mi-hauteur, η = viscosité, θ = angle de diffusion, is = intensité optique diffusée, io= intensité optique de référence, r = rayon de la particule, k = constante de Boltzmann, T = température.
Le signal de diffusion dynamique de la lumière peut être évalué de différentes manières : par une fonction d'autocorrélation en fonction du temps ou par un spectre de puissance en fréquence (SPF), l'un étant la transformation de Fourier de l'autre. La mesure homodyne avec autocorrélation est la base de la "spectroscopie par corrélation de photons" (PCS), largement utilisée. Celle-ci nécessite un autocorrélateur et ne détermine qu'une taille moyenne basée sur l'intensité (moyenne z) et un "indice de polydispersité", qui est une indication approximative de la largeur de la distribution. Pour calculer la distribution, des algorithmes d'ajustement de courbe spécifiques à l'instrument sont nécessaires.
Toutefois, la méthode du spectre de puissance en fréquence (SPF) est plus fiable et nettement supérieure au SCP en termes de sensibilité, de précision et de résolution. Le signal DLS provenant du détecteur est mathématiquement transformé en un spectre de puissance de fréquence par la transformation rapide de Fourier et, après minimisation itérative de l'erreur, fournit une indication directe de la distribution de taille.
Le spectre de puissance en fréquence prend la forme d'une fonction lorentzienne. La fréquence caractéristique, ω0, est inversement proportionnelle à la taille des particules. La figure représente le spectre fréquence-puissance pour différentes tailles de particules. La relation inverse entre la fréquence caractéristique et la taille de la particule est évidente.
1. Détecteur | 2. Faisceau laser réfléchi & lumière diffusée | 3. Fenêtre en saphir | 4. Diviseur de faisceau en Y | 5. Lentille GRIN | 6. Echantillon | 7. Faisceau laser dans une fibre | 8. Laser
Microtrac a adopté une approche innovante de la diffusion dynamique de la lumière (DLS) en utilisant une sonde de conception exclusive pour délivrer et collecter la lumière. En focalisant la sonde laser à l'interface du matériau, Microtrac combine les avantages d'un trajet court avec un battement de référence et une rétrodiffusion à 180°, offrant ainsi la meilleure précision, résolution et sensibilité.
Le signal optique le plus fort et la plus grande précision aux concentrations les plus faibles : Toutes les mesures de diffusion dynamique de la lumière utilisent une forme de "battement" pour éliminer la haute fréquence optique de la lumière diffusée, laissant les fréquences inférieures induites par le mouvement des particules nécessaires à l'analyse de la taille. Le principe de détection hétérodyne de Microtrac utilise la sonde pour collecter la lumière rétrodiffusée à 180° mélangée à la lumière incidente.
La géométrie des composants permet à la lumière de se réfléchir sur l'interface et de se combiner à la lumière diffusée collectée. La lumière réfléchie permet un battement de référence. Le signal optique total est amplifié par la forte intensité de la composante réfléchie. Le résultat est le signal optique le plus élevé possible, ce qui permet d'obtenir des mesures précises dans les concentrations les plus faibles possibles.
Le principe de mesure hétérodyne avec battement de référence permet également de dimensionner des particules fluorescentes.
La sonde de Microtrac utilisée dans les analyseurs de diffusion dynamique de la lumière focalise le laser à l'interface entre la sonde et la suspension de particules. La lumière pénètre dans la suspension et la diffusion a lieu avec les particules rencontrées et la lumière rétrodiffusée à 180°. Mélangée à la lumière incidente, elle retourne au photodétecteur. La longueur totale du trajet est minimisée, tandis que la lumière diffusée collectée est maximisée. Il en résulte des mesures précises aux plus fortes concentrations de particules.
La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est utilisée dans les analyseurs de particules NANOTRAC de Microtrac.
Notre équipe d'experts sera heureuse de vous conseiller sur votre application et sur notre gamme de produits.
La diffusion dynamique de la lumière est une méthode largement utilisée pour mesurer la taille des particules. Elle est particulièrement adaptée à la caractérisation des nanomatériaux. Le mouvement brownien (coefficient de diffusion) des particules dans un liquide est déterminé et un diamètre hydrodynamique des particules est obtenu via l'équation de Stokes-Einstein. La température et la viscosité doivent être connues pour l'évaluation.
Dans l'analyse des particules par diffusion dynamique de la lumière, l'échantillon est éclairé par un faisceau laser et la lumière diffusée est enregistrée à un angle de détection (dans la plupart des cas dans la direction de la rétrodiffusion) sur une période de 30 à 120 secondes. Le mouvement des particules provoque des fluctuations d'intensité dans la lumière diffusée. A partir de ces fluctuations, le coefficient de diffusion peut être déterminé, et donc aussi la taille des particules.
La gamme de mesure de la diffusion dynamique de la lumière s'étend de 0,3 nm à 10 µm. Cela recoupe largement la diffraction laser, dont la gamme de mesure va de 10 nm à la gamme des millimètres. Lorsque la taille des particules diminue, la méthode de diffusion dynamique de la lumière devient de plus en plus performante par rapport à la diffraction laser. Pour les particules plus grandes, la diffraction laser présente en revanche des avantages par rapport à la diffusion dynamique de la lumière.
En plus de la possibilité d'analyser des particules extrêmement petites, la diffusion dynamique de la lumière présente également l'avantage de mesurer dans une large gamme de concentrations allant de quelques ppm à 40 % en volume (selon l'échantillon). Les mesures peuvent être effectuées dans différents récipients ou une sonde peut même être immergée directement dans l'échantillon à examiner. De plus, de nombreux instruments de diffusion dynamique de la lumière présentent la possibilité de mesurer en plus le potentiel zêta.
La diffusion dynamique de la lumière est utilisée dans de nombreuses industries pour différentes applications. Les échantillons typiques pour la diffusion dynamique de la lumière sont des particules inférieures à 1 micromètre. Il s'agit notamment de pigments, d'encres, de microémulsions, de céramiques, de produits pharmaceutiques, de boissons et de denrées alimentaires, de cosmétiques, de métaux, de colles, de polymères, de colloïdes, de macromolécules organiques, etc.
La méthode de diffusion dynamique de la lumière pour l'analyse de la taille des particules et la mesure de la distribution de la taille des particules est décrite dans la norme ISO 22412. En plus, l'analyse du potentiel zêta, qui peut souvent être effectuée avec un analyseur à diffusion dynamique de la lumière, est décrite dans la norme ISO 13099.
Il existe différentes méthodes pour acquérir et évaluer un signal de diffusion dynamique de la lumière. La technologie hétérodyne (ou battement de référence), qui utilise une partie du faisceau incident comme référence pour la lumière diffusée, s'est avérée supérieure en termes de rapport signal/bruit. Le signal dépendant du temps est converti en un spectre de puissance en fréquence par une transformée de Fourier. La taille des particules peut être obtenue à partir de ce spectre de puissance.
