Mesure du potentiel zêta

Le potentiel zêta est un paramètre clé pour caractériser la stabilité et les interactions entre particules dans les dispersions colloïdales, les nanoparticules, les émulsions et les systèmes biologiques. En termes simples, il indique dans quelle mesure les particules en suspension dans un liquide se repoussent ou s’attirent et, par conséquent, si la dispersion reste stable ou tend à s’agréger. Les particules dispersées dans un liquide portent généralement une charge électrique de surface, due à l’ionisation, à l’adsorption d’ions ou à la présence de groupes fonctionnels en surface (figure 1).

Cet article fait suite à « Zeta Potential I : Principles » et explique comment la technique cmPALS et les cuvettes d’Anton Paar permettent d’appliquer ces principes au moyen de mesures rapides, fiables et simples à effectuer au quotidien. Pour les nouveaux utilisateurs, cette section présente les étapes essentielles et les choix à faire pour obtenir des mesures fiables du potentiel zêta. Pour les utilisateurs expérimentés, elle montre comment des technologies avancées telles que cmPALS et la cuvette Omega améliorent la qualité des données, réduisent les contraintes exercées sur l’échantillon et prolongent la durée de vie des cuvettes.

Lorsqu’un champ électrique externe est appliqué, les particules chargées migrent vers l’électrode de signe opposé. La vitesse de ce déplacement, appelée mobilité électrophorétique, peut être reliée au potentiel zêta, c’est-à-dire au potentiel électrique au niveau du plan de cisaillement qui entoure la particule en mouvement. Comme le potentiel zêta reflète l’intensité des forces de répulsion ou d’attraction entre les particules, il fournit des indications directes sur la stabilité de la dispersion, la tendance à l’agrégation et la chimie de surface.

Pour mesurer la mobilité électrophorétique avec une sensibilité et une précision élevées, les instruments ELS modernes utilisent la technique diffusion de la lumière avec analyse de phase suivie en continu (cmPALS). Avec cmPALS, le déphasage de la lumière diffusée est surveillé en continu, tandis que seules de brèves impulsions de champ électrique de faible intensité sont appliquées, ce qui permet à l’instrument de détecter des déplacements de particules extrêmement faibles sans solliciter l’échantillon. Un détecteur supplémentaire mesure en continu le décalage Doppler du faisceau de référence modulé, ce qui compense les instabilités du modulateur et permet une analyse de phase précise, même à faible tension. Cela réduit considérablement l’échauffement de l’échantillon et les réactions électrochimiques aux électrodes, ce qui rend cette méthode particulièrement adaptée aux échantillons délicats, à faible conductivité ou très concentrés.

Par rapport aux méthodes classiques de diffusion de la lumière électrophorétique, cmPALS permet des mesures du potentiel zêta plus rapides, une meilleure répétabilité et une sensibilité accrue, avec des résultats fiables même dans des conditions difficiles.

Avec cmPALS, vous pouvez vous appuyer sur les paramètres par défaut pour obtenir des valeurs de potentiel zêta fiables, sans avoir à optimiser la tension ni le temps de mesure pour chaque échantillon. La sensibilité élevée aux faibles intensités de champ permet d’effectuer des mesures fiables sur des échantillons délicats, à faible conductivité ou concentrés, qui posent souvent problème avec les instruments ELS conventionnels, tout en réduisant l’usure des électrodes et l’encrassement de la cuvette.

Atout principal : géométrie Oméga inversée

Dans les cuvettes ELS conventionnelles, le potentiel zêta est généralement mesuré dans la partie inférieure du tube, une zone souvent courbe, en forme de U, dans de nombreuses cuvettes jetables dédiées à cette mesure. Cette forme en U présente une limitation majeure : le champ électrique n’est pas uniforme dans les parties courbes. Comme le courant électrique suit toujours le chemin le plus court, il circule, dans une cuvette en U, majoritairement le long de la paroi interne, ce qui engendre d’importants gradients de champ électrique et des valeurs de potentiel zêta dépendantes de la position de mesure. Par conséquent, le potentiel zêta mesuré peut varier considérablement selon la position exacte du point de mesure dans la cuvette.

Pour remédier à cette limitation, Anton Paar a développé une cellule de mesure du potentiel zêta innovante, dans laquelle le capillaire d’échantillon n’est pas en forme de U, mais adopte une géométrie en oméga inversé, comme le montre la figure 3. Contrairement à la géométrie traditionnelle en U, le capillaire en forme d’oméga présente, à son point le plus bas, une longue section rectiligne. Cette section rectiligne garantit un champ électrique homogène dans la zone de mesure et empêche la formation de gradients de champ électrique. Par conséquent, les mesures réalisées avec les cuvettes Omega d’Anton Paar sont stables, reproductibles et indépendantes de la position latérale du point de mesure dans le capillaire.

Les simulations illustrent également cet avantage. Dans la cuvette Omega, le champ électrique reste quasi constant sur l’ensemble de la section transversale (figure 4, courbe bleu foncé), tandis que, dans une cuvette en U, son intensité varie fortement (figure 4, courbe rouge).

Cette différence s’explique par le comportement fondamental du courant électrique, qui emprunte naturellement le chemin le plus court. Dans une cuvette en U, ce trajet le plus court passe près de la paroi supérieure. Par conséquent, la majeure partie du courant se concentre dans cette zone, tandis qu’un courant nettement plus faible circule près de la paroi inférieure. Le champ électrique local, et par conséquent le potentiel zêta mesuré, varie selon la position de mesure. Des résultats fiables ne peuvent être obtenus que si la mesure est effectuée exactement au centre du canal, ce qui rend le montage très sensible à l’alignement.

À l’inverse, les simulations de la cuvette Omega montrent que le courant électrique se répartit uniformément sur toute la section de mesure. Cette répartition homogène garantit que le potentiel zêta reste pratiquement indépendant de la position latérale de mesure.
Les données expérimentales de la figure 5 confirment clairement ces prédictions : dans la cuvette en U, le potentiel zêta mesuré près de la paroi supérieure est d’environ 44 mV, soit près de 40 % de plus que la valeur enregistrée près de la paroi externe (environ 32 mV). Cela met clairement en évidence la présence d’un gradient de champ électrique dans le capillaire. Dans la cuvette Omega, en revanche, le potentiel zêta reste quasi constant sur toute la largeur du canal (39 mV à la paroi supérieure et 38 mV à la paroi inférieure), ce qui confirme l’homogénéité du champ appliqué. Cette uniformité réduit fortement la sensibilité aux erreurs de positionnement et permet d’obtenir des résultats de mesure fiables.

Les débutants n’ont pas à se préoccuper de viser exactement le « bon endroit » dans la cuvette, car la géométrie Omega permet d’obtenir des résultats comparables d’une mesure à l’autre. Pour les utilisateurs expérimentés, le champ homogène et la moindre sensibilité à l’alignement se traduisent par une meilleure reproductibilité, une réduction des efforts de mise au point des méthodes et des comparaisons plus robustes entre instruments et laboratoires.

Choisir en pratique entre la cuvette Omega et l’Univette

Pour la plupart des dispersions aqueuses de routine, des suspensions de nanoparticules et des formulations biologiques, lorsque la simplicité d’utilisation et la cadence d’analyse priment, la cuvette Omega jetable est souvent le choix le plus adapté, car elle limite les opérations de préparation, évite les contaminations croisées et offre une bonne répétabilité grâce à sa géométrie de champ bien définie et à la conception de ses électrodes. Sa conception permet de travailler avec de petits volumes d’échantillon et convient particulièrement aux solutions tampons de faible conductivité, pour lesquelles le cmPALS à basse tension est particulièrement avantageux.

L’Univette est une cuvette réutilisable pour les mesures de diffusion dynamique et électrophorétique de la lumière. Conçue pour offrir une grande polyvalence, elle est compatible avec les solvants aqueux comme organiques et convient à un large éventail d’échantillons et de conditions de mesure, notamment aux dispersions concentrées, aux petits volumes d’échantillon et aux températures élevées. L’Univette est fabriquée en PEEK et équipée d’électrodes en palladium faciles à nettoyer. Sa conception réutilisable réduit les besoins en consommables tout en assurant des performances fiables. 

Lors des mesures du potentiel zêta, la surface des électrodes peut être le siège de réactions électrochimiques entraînant la formation de dépôts sombres, le plus souvent sous forme d’un film noir ou brun, comme l’illustre la figure 7. 

Ces dépôts peuvent résulter de l’oxydation ou de la réduction de constituants de l’échantillon, par exemple des additifs organiques, des polymères, des tensioactifs ou des ions métalliques, ou encore de la carbonisation de résidus à la surface des électrodes. Un encrassement persistant peut perturber la stabilité du champ électrique appliqué, dégrader la qualité du signal et, à terme, compromettre l’exactitude des mesures. 

Une inspection visuelle régulière des électrodes, complétée par des mesures sur un étalon de contrôle du potentiel zêta bien caractérisé, est donc une approche fiable pour déterminer si une cuvette reste utilisable. Cette évaluation doit combiner l’inspection visuelle des électrodes et la comparaison des résultats obtenus avec un échantillon de référence bien caractérisé. Une cuvette doit être considérée comme inutilisable lorsque les changements de coloration ou les dépôts ne peuvent pas être éliminés par les procédures de nettoyage standard, lorsque la surface des électrodes présente des signes de corrosion ou de piqûres, ou lorsque les mesures présentent un bruit excessif, une répétabilité insuffisante ou des écarts par rapport aux valeurs de référence établies. 

En pratique, une cuvette doit être remplacée lorsque (1) les dépôts ne peuvent pas être éliminés par un nettoyage standard, (2) des traces de corrosion ou de piqûres deviennent visibles sur les électrodes, ou (3) les mesures d’un étalon de contrôle commencent à présenter un bruit accru, une répétabilité insuffisante ou des valeurs hors de la plage de validation spécifiée.

Des essais de longue durée réalisés avec l’étalon de contrôle du potentiel zêta d’Anton Paar ont montré qu’une cuvette Omega peut fournir plus de 1 000 mesures valides dans des conditions usuelles, même si les électrodes paraissent assombries, tant que les valeurs de référence restent dans les limites prédéfinies.

La situation se complique encore du fait que des électrodes noircies peuvent malgré tout fournir des mesures valides. La figure 8 montre qu’après 330 mesures, les valeurs du potentiel zêta étaient déjà proches de la limite inférieure de la plage de validation de l’étalon de contrôle du potentiel zêta d’Anton Paar. Après ces mesures, la mesure a été interrompue et la cuvette a été inspectée. Après ce grand nombre de mesures, les électrodes s’étaient assombries, et de nombreuses bulles d’air étaient visibles dans l’échantillon comme sur les électrodes. Cela laisse penser que l’échantillon a évolué au cours de la mesure.

La cuvette a ensuite été de nouveau remplie avec une nouvelle portion d’étalon de contrôle du potentiel zêta. Après ce nouveau remplissage, un décalage net des résultats a été observé, et les valeurs du potentiel zêta sont revenues à la normale. Les résultats obtenus après ce remplissage ont confirmé que la cuvette de mesure était encore en bon état, malgré le noircissement des électrodes. Cette procédure a été répétée après 400 mesures supplémentaires, puis encore après 399 mesures supplémentaires. Après chaque remplissage, un nouveau décalage net des résultats a été observé. Cependant, après 1 129 mesures, les valeurs moyennes du potentiel zêta ont commencé à se rapprocher de la limite inférieure de la plage de validation de l’étalon de contrôle du potentiel zêta, ce qui indiquait que la cuvette approchait peut-être de sa fin de vie. Au total, 1 308 mesures ont été réalisées avec la même cuvette Omega.