Suspensions concentrées et petites particules : techniques basées sur l'interaction du milieu avec un faisceau laser
Lorsqu'une suspension (ou émulsion) est irradiée par un faisceau de lumière cohérente une partie de l'énergie de celle-ci est absorbée et le reste est diffracté ou diffusé suivant les propriétés du milieu (voir figure ci-dessous).
L'utilisation de faisceaux laser parfaitement monochromatiques facilite l'interprétation des spectres. Les appareils utilisant ces techniques sont extrêmement nombreux. Si les entités en suspension ont une taille supérieure ou égale à la longueur d'onde de la lumière irradiante, celle-ci est diffractée. Sur un plan, la lumière déviée par un objet sphérique forme des anneaux dont le diamètre est inversement proportionnel à sa taille. Les plus grandes particules sont donc observées aux plus petits angles de diffraction, et inversement (voir figure ci-dessous). La puissance du rayonnement diffracté est proportionnelle à la surface des particules. L'observation du spectre de diffraction associée à un modèle permet ainsi de caractériser le milieu.
La théorie de Fraunhofer est appliquée si la taille des particules est supérieure à la longueur d'onde de la lumière incidente, si elles sont du même d'ordre de grandeur, on appliquera la théorie de Mie. Pour le traitement des données, les objets sont supposés sphériques, leurs densités et indices de réfraction doivent être connus, et différents de ceux du milieu environnant [Barth, 84][5]. Dans certains cas, il est aussi souhaitable de connaître à priori la forme de la distribution. Enfin, les distributions de tailles ainsi obtenues sont pondérées en volume et donnent donc de l'importance aux plus grosses particules. Ce type d'analyse est maintenant devenu classique et permet de travailler sur une large gamme de tailles (de \({0,05}{\, \rm \mu m}\) à quelques \({\rm mm}\)) avec des appareils éprouvés. Il est toutefois impossible de caractériser ainsi les particules nanométriques et les milieux concentrés.
En milieu concentré, la lumière déviée par un objet l'est ensuite par d'autres, ce qui provoque une augmentation de l'intensité lumineuse collectée aux grands angles, et les distributions de tailles obtenues sont faussées si l'on n'utilise pas des algorithmes spécifiques. Par ailleurs, dans ce type de milieu, on parle de spectres de diffusion, celle-ci étant d'autant plus intense qu'il y a d'objets interagissant avec la lumière. La diffusion de la lumière peut être observée sous différents angles compris entre \({0º}\) (transmission) et \({180º}\) (rétro diffusion), comme l'indiquent les schémas de la figure ci-dessous. Les appareils basés sur la diffusion multiple de la lumière permettent de travailler sans dilution à des concentrations volumiques de 40 à \({50}{\, \%}\). Des appareils équipés de ce type d'algorithmes sont vendus par Malvern Instruments (gamme Insitec de 0,2 à \({1000}{\, \rm \mu m}\), et appareil Spraytec de 0,5 à \({850}{\, \rm \mu m}\)) et Formulaction (modèle Turbiscan).
Quant aux particules dont la taille est inférieure à la longueur d'onde incidente, elles sont aptes à diffuser la lumière (théorie de Rayleigh), et d'autre part sujettes au mouvement Brownien, d'autant plus important qu'elles sont fines. L'intensité totale qu'elles diffusent subit ainsi des fluctuations. L'exploitation du spectre obtenu est complexe et peut se faire à l'aide de différents modèles (auto-corrélation de photons PCS, diffusion quasi-élastique DQEL et diffusion dynamique DDL). Ce type d'analyse nécessite l'hypothèse d'entités sphériques. Les distributions de tailles obtenues sont pondérées par l'intensité diffusée et les grosses particules y ont beaucoup de poids (plus qu'en volume). Si l'on connaît les indices de réfraction du milieu avec précision, il est possible de convertir la distribution en volume. Ces techniques permettent de mesurer des tailles allant de quelques nanomètres à quelques microns, dans des milieux dont la concentration n'excède pas \({20}{\, \rm \%}\) volumique (mais avec un nombre de particules supérieur à 500 ou 1000 pour que le signal collecté soit suffisant). De nombreux constructeurs proposent actuellement des appareils de ce type : Malvern Instruments (Zetasizer Nano et Nano S, HPPS, CGS-3), Beckman Coulter (N4 Plus), Microtrac (UPA, Nanotracs), Brookhaven Instruments (FOQELS, BI 90 plus), Horiba (LB 500), Particle Sizing System (Nicomp 380). Le CGS-3 de Malvern Instruments remplace l'Autosizer 4800. C'est un goniomètre qui permet de collecter la lumière déviée suivant différents angles, il couvre les tailles de \({1}{\, \rm nm}\) à \({5}{\, \rm \mu m}\).