Il existe deux méthodes bien établies pour déterminer la taille des particules d'un échantillon : diffusion dynamique de la lumière et diffraction laser. Choisir quelle méthode d'analyse de la taille des particules utiliser nécessite de prendre en compte la plage de tailles attendue, le type d'échantillon (liquide ou solide), la quantité d'échantillon disponible, la stabilité chimique et le domaine d'application. Cependant, le principe physique derrière chaque technique est également important, et le choix de la plus adaptée n'est pas toujours évident. Cet article décrit les principales différences entre la diffusion dynamique de la lumière et la diffraction laser, et il fournit également un aperçu des options pour l'interprétation des données et une comparaison possible.
Méthodes d’analyse de la taille des particules : diffusion dynamique de la lumière vs. diffraction laser
Méthodes d’analyse de la taille des particules : diffusion dynamique de la lumière vs. diffraction laser
| Caractéristiques | Diffusion dynamique de la lumière (DLS) | Diffraction laser (LD) |
|---|---|---|
| Hypothèse |
Les particules sont sphériques |
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| Plage de la taille | 0,3 nm à 10 μm | 10 nm à 3500 µm |
| Théorie de la mesure de la taille des particules |
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| Diamètre équivalent* | Diamètre hydrodynamique (HDD):
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| Modèle de pondération | Basé sur l'intensité
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Basé sur le volume
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| résultat de la taille moyenne des particules | Échantillon monodisperse:
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| Paramètres de la population de particules |
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| Autres modèles de pondération | Le recalcul de la distribution basée sur l'intensité en une distribution basée sur le nombre et le volume est possible lorsque l'indice de réfraction des particules est connu. | Le recalcul de la distribution basée sur le volume à une distribution basée sur la surface et le nombre est possible. L'indice de réfraction n'a aucune fonction dans ce cas. |
| Norme ISO | ISO 22412 | ISO 13320 |
Résultats et interprétation des données
Est-il possible de comparer les résultats DLS avec les résultats de diffraction laser ? Quels paramètres doivent être comparés ? La technique d'analyse de la taille des particules DLS et la méthode de diffraction laser fournissent des résultats qui sont basés sur différents diamètres équivalents et modèles de pondération. Pour de nombreux échantillons, les résultats mesurés par DLS et diffraction laser ne sont donc pas directement comparables et un écart de 10 % ou plus entre les résultats est à prévoir. Pour diminuer l'écart, le même modèle de pondération devrait être utilisé pour la comparaison. Lors de l'utilisation de la technique de diffusion dynamique de la lumière, il est possible de recalculer la distribution pondérée par le volume ainsi que les valeurs D. Cependant, tout type de recalcul introduira une erreur qui s'ajoute à celle initiale liée à l'hypothèse de particules sphériques. Par conséquent, les calculs à partir des données brutes sont toujours plus fiables qu'un recalcul. Comprendre la différence entre les résultats DLS et de diffraction laser Les considérations suivantes sont cruciales pour comprendre la différence dans les résultats et l'inexactitude de la comparaison :
- Afin de comparer directement les technologies, les résultats d'une mesure DLS doivent être recalculés pour obtenir une distribution basée sur le volume
- La taille moyenne est basée sur différents poids : D[4,3] basé sur le volume ; HDD basé sur l'intensité
- La médiane (D50) doit être considérée pour obtenir une "taille moyenne des particules" plus précise
Résultats de la diffusion dynamique de la lumière (DLS)
Les mesures DLS fournissent des résultats sous la forme du diamètre hydrodynamique (HDD) et de la taille de pic (voir Figure 1 et 2).
Figure 1 : Fonction de corrélation exemplaire d'une mesure DLS. De là, le HDD et l'indice de polydispersité (PDI) sont calculés.
Le HDD ne peut pas être mesuré par diffraction laser, mais la médiane de la taille des pics peut être obtenue en utilisant d'autres calculs. Par conséquent, le recalcul de la distribution de la taille des particules de l'intensité à la base du volume et ensuite le calcul des valeurs D pondérées par le volume sont nécessaires pour une comparaison raisonnable. Au moyen de l'indice de réfraction du matériau, le résultat basé sur l'intensité peut être recalculé en un résultat basé sur le volume.
Figure 2 : Taille des particules et distribution de taille du latex de polystyrène mesurée par DLS : (a) fonction de corrélation et diamètre hydrodynamique (HDD) ; (b) et (c) distribution de taille des particules et taille de pic dans la distribution basée sur l'intensité et le volume, respectivement
Résultats de diffraction laser (LD)
Les valeurs D fournies par les résultats de diffraction laser ne donnent pas d'informations sur la taille des pics mais décrivent l'ensemble de la distribution de taille des particules (voir Figure 3). Afin de définir la taille des particules de l'échantillon étudié, la taille médiane ou la taille moyenne (par exemple, D [4,3]) doit être considérée.
Figure 3 : Distribution de la taille des particules du latex de polystyrène mesurée par LD (basée sur le volume)
Comparaison des résultats DLS et LD
On peut observer que bien qu'il existe une certaine similarité (différence inférieure à 10 %) entre l'intensité pondérée par HDD (DLS : 0,13 µm) et l'intensité pondérée par le volume D50 (LD : 0,14 µm), la comparaison ne serait pas précise car ils ont deux significations différentes (D50 n'est pas une moyenne mais une médiane), et ils sont basés sur différents modèles de pondération. Pour cette raison, à partir de la distribution recalculée basée sur le volume DLS, les valeurs D peuvent être déterminées et utilisées pour la comparaison avec les résultats de diffraction laser (voir Tableau 1). La comparaison entre les valeurs D pondérées par le volume est montrée ci-dessous. La différence est supérieure à 20 %.
| Instrument | D10 [µm] | D50 [µm] | D90 [µm] |
|---|---|---|---|
| L/d | 0,06 | 0,15 | 0,34 |
| DLS | 0,08 | 0,10 | 0,14 |
Tableau 1 : Comparaison des valeurs D pondérées par le volume dérivées de la DLS et de la LD pour le latex de polystyrène
La différence dans les résultats obtenus par les deux techniques différentes peut être déroutante à première vue, rendant ainsi la décision de choisir quelle technique utiliser encore plus difficile. Dans ce cas, cependant, il est utile de considérer le type d'échantillon.
Quelle technique pour quelle application ?
Les points suivants doivent être pris en compte :
| Conditions | DLS | LD |
|---|---|---|
| Type d'échantillon | Dispersion liquides (liquide/liquide, poudre/liquide) | Dispersion liquides, poudres sèches |
| Montant d'échantillon disponible | Échantillon liquide : µL à mL Échantillons secs : mg à g | Échantillon liquide : µL à mL Échantillons secs : mg à g |
| Récupération des échantillons | Toujours possible. | Pas toujours possible. |
| Contrôle de la température | Toujours possible, généralement de 0 °C à 90 °C | Possible de mesurer à différentes températures avec l'accessoire approprié |
| Plus de 10 paramètres de qualité |
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| Développement de méthode | Aucune optimisation de méthode nécessaire. | L'optimisation de la méthode est nécessaire pour de nouveaux échantillons. |
| Mesures d'échantillons liquides hautement concentrés | Possibilité de mesurer des échantillons non dilués jusqu'à 70 % (m/v), sinon une pré-dilution est possible avant de remplir la cuvette. | L'échantillon est directement dilué dans l'unité de dispersion liquide. Le mélangeur, l'ultrason et la circulation aident à ajuster la concentration de particules (obscuration) dans l'instrument. |
| Limite de taille inférieur | Particules primaires dans la plage inférieure du nanomètre (plage de taille inférieure typique 0,3 nm). | LD est moins sensible aux signaux faibles provenant de petites particules dans la plage nanométrique (<100 nm) et la précision peut être limitée. |
| Durée de la mesure | Les deux techniques sont très rapides (quelques minutes). Dans certains cas, les mesures de diffraction laser peuvent être plus rapides que les mesures DLS. | |
| Détection des impuretés | De petits contaminants à une très faible concentration seront observés par diffusion dynamique de la lumière plus facilement que par diffraction laser. | |
| Stabilité de dispersion | La diffraction laser est plus adaptée à l'analyse des échantillons contenant de grandes particules (>10 µm). Le signal d'intensité est plus fort et les résultats sont liés au volume des particules ; la dispersion par ultrasons, le mélange et la circulation garantissent que les particules restent en suspension. Il n'y a pas de risque de sédimentation comme avec la technique DLS. | |
| Statistiques | L'exactitude des résultats et la répétabilité (écart type relatif %) doivent être prises en compte, par exemple, RSD <5 %. | |
| Applications typiques | Contrôle de la qualité et recherche | Contrôle de la qualité :
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Conclusion
Diffraction laser et diffusion dynamique de la lumière sont des méthodes de dimensionnement des particules qui sont bien établies tant dans la recherche que dans l'industrie. Décider de la technique à utiliser pour l'analyse des particules d'une substance spécifique nécessite de prendre en compte un certain nombre de facteurs, y compris l'objectif de la mesure (par exemple, mesure des particules primaires ou des agglomérats), la quantité d'échantillon disponible, la facilité de préparation de l'échantillon, la durée de la mesure et la nature des impuretés attendues. Les résultats mesurés par diffraction laser peuvent être comparés aux résultats mesurés par DLS et vice versa, mais cette comparaison doit toujours être supposée inclure une déviation significative. Par conséquent, la comparaison est mieux effectuée sur des résultats déterminés en utilisant la même technique.
En savoir plus sur la diffusion dynamique de la lumière qui est utilisée dans les analyseurs de particules tels que la série Litesizer
En savoir plus sur la diffraction laser qui est utilisée pour déterminer la distribution des particules par la série PSA
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Références
1. Gregorová, W., Pabst, E. (2007). Characterization of particles and particle systems. old.vscht.cz/sil/keramika/Characterization_of_particles/CPPS%20_English%20version_.pdf. [Online].
2. Jonasz, M. Nonsphericity of suspended marine particles and its influence on light scattering. s.l. : Limnol. Oceanogr. 32:1059–1065, 1987.
