Brevet FR2521294A1 — publié le 19830812

i 252129 La présente invention concerne le domaine de l'analyse granulométrique de particules, et a pour objet un procédé de granulométrie interférentielle globale, applicable notamment à des particules biologiques poly- dispersées. Actuellement, les procédés pour la détermination des caractéristiques granulométriques, tels que les nombres 1 dimensions, et la courbe de granulométrie d'un ensemble de particules se trouvant ou mises en suspension dans un fluide sont généralement classés en deux catégories, à savoir, les procédés en flux, et les procédés globaux. Dans les procédés en flux, les particules défilent une à une dans une cellule de mesure fournissant au passage de chaque particule une information liée à la taille de cette dernière Le plus souvent, on procède à la mesure de la résistivité de la particule en milieu liquide (appareils Coulter) ou de ses propriétés optiques Dans ce dernier cas, la particule traverse un espace éclairé, et la lumière absorbée ou diffusée est observée lors de son passage. L'éclairement est réalisé par un faisceau unique ou par deux faisceaux cohérents produisant des franges d'interférence, le défilement de la particule devant le réseau de franges introduisant dans ce dernier cas une modulation périodique de la lumière diffusée. La fréquence de cette modulation est liée à la vitesse de la particule, tandis que le taux de la modulation peut être lié à sa taille. Ces procédés en flux connus présentent l'avantage de permettre l'examen des particules une à une favorisant ainsi la détermination de courbes de granulométrie Cependant, les contraintes imposées par la mise en flux, qui consiste à réaliser une dilution élevée pour éviter le passage simultané de deux particules dans la zone de mesure, et la mise en circulation de la suspension à analyser, peuvent être incompatibles avec certaines déterminations, telles que, notamment, la dynamique de la formation d'agrégats. En outre, la cellule de mesure travaille souvent à des fré- quences élevées pour permettre l'observation d'un nombre significatif de particules, limitant ainsi la quantité d'in- 2 2521294 formations recueillies par particule, et entraînant des erreurs de natures diverses ne pouvant toujours être compensées par des calculs. Les procédés globaux consistent en l'introduction simultanée d'un grand nombre de particules dans une cellule de mesure, qui fournit une information globale à partir de laquelle sont déterminés le nombre, la dimension et la répartition des particules concernées Les principes de mesure utilisés peuvent être, soit mécaniques, tels que la sédimentation, soit principalement optiques, tels que la diffractométrie et la néphélémétrie. Ces procédés présentent sur les procédés en flux connus l'avantage de ne requérir qu'une préparation simpli- fiée des échantillons à analyser, en particulier dans la mesure o ils rendent possible une analyse de populations granulaires polydispersées, c'est-à-dire formées de mélanges de plusieurs familles de particules monodispersées, un certain nombre de ces familles pouvant alors être analysé simultanément sans séparation Ces procédés globaux per- mettent, en outre, l'obtention d'une mesure immédiatement représentative de la moyenne d'un grand ensemble de parti- cules Cependant, l'information fournie par la cellule est la superposition des informations élémentaires issues de chaque particule, et si cesdites informations ne sont pas suffisamment riches ou différenciées les unes des autres, leur discrimination est difficile, les variations des tailles interférant notamment avec les variations des nombres, en particulier dans les procédés globaux optiques Ces procédés connus n'autorisent donc que des résultats limités en per- formances et en précision, sauf en cas d'application de moyens lourds et coûteux, qui en restreignent considérable- ment le champ d'application. Il est, en effet, usuel de compter des populations monodispersées, d'une distribution dimensionnelle assez resserrée autour d'une valeur moyenne normale, de façon satisfaisante, grâce à un procédé global optique dans lequel les particules sont éclairées par un faisceau lumi- neux unique, et le flux diffracté est mesuré dans une zone angulaire particulière dite "d'invariance", choisie de 3 25212 ' manière que le flux s'y trouvant diffracté reste sensible- ment stationnaire lorsque la taille moyenne des particules à compter varie dans une certaine fourchette autour de sa valeur normale Le flux mesuré n'est représentatif que du nombre de particules à compter, du fait qu'il est indépendant des variations de taille de ces dernières. Ce procédé n'est donc applicable au comptage de populations granulaires polydispersées qu'avec une importante restriction En effet, en considérant un mélange de deux populations monodispersées de tailles moyennes différentes, il existe pour chaque population une zone d'invariance, qui permettrait effectivement de la compter si elle état seule, de sorte qu'on aboutit à deux zones distinctes du fait que les tailles moyennes diffèrent Il en résulte que dans chaque zone sera mesuré un flux total égal à la somme d'un premier flux bien stationnaire en fonction de la taille de la population à laquelle correspond ladite zone, et d'un deuxième flux non stationnaire en fonction de la taille de l'autre population Pour pouvoir utiliser le procédé, il faut donc connaître simultanément les tailles des deux populations considérées, et il en est de même dans le cas d'un mélange de plusieurs populations La restriction à l'application de ce procédé est donc que les tailles de toutes les populations soient connues et, de plus, restent toutes ensemble parfaitement stables, ce qui n'est pas réalisé dans un grand nombre de cas pratiques. L'amélioration des performances du procédé pourrait être envisagé par mise en oeuvre de moyens supplémentaires déterminant les tailles en même temps que les nombres. Cependant, le coût de l'ensemble serait alors excessif en regard d'autres méthodes, à égalité de performances. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en donnant accès à des informations globales dans lesquelles les effets de taille et de nombres sont plus différenciés que dans les procédés connus, pour permettre de caractériser des populations granulométriques polydispersées ou déterminer des courbes granulométriques avec une plus grande précision, par des calculs simples et dans des conditions plus économiques. Elle a, en effet, pour objet un procédé de granu- lométrie interférentielle globale applicable notamment à des particules biologiques, polydispersées, dans lequel les particules à analyser, mises en suspension dans un fluide au sein duquel elles sont réparties au hasard, défilent à travers un volume illuminé simultanément par plusieurs faisceaux de lumière cohérente d'axes convergents, qui y produisent un réseau de franges d'interférence, le volume et la concentration des particules à chaque instant étant tels qu'un ensemble de particules est éclairé simulta- nément, ces particules défilant à vitesse uniforme, le ou les flux diffractés par les particules étant mesurésdans une ou plusieurs zones angulaires auxquelles correspondent des signaux de mesure présentant chacun une composante continue et une composante modulée périodiquement, procédé caractérisé en ce que le positionnement des zones angulaires de mesure est choisi d'après des critères de représentativité des 'signaux obtenus par rapport aux données granulométriquesa cherchées, en particulier pour leurs composantes alternati- ves, et en ce que le traitement des signaux comporte successivement une analyse harmonique de Fourier de leurs composantes alternatives, et une exploitation des résultats de cette analyse dans un calcul conduisant aux paramètres recherchés, à savoir les nombres, les dimensions moyennes, etla répartition granulométrique des particules analysées. Des procédés utilisant des moyens-analogues, en particulier une analyse de Fourier effectuée sur des signaux représentatifs de flux diffractés par des particules éclairées par plusieurs faisceaux cohérents croisés sont connus, mais ils concernent la vélocimétrie qui est destinée à déterminer la vitesse de particules ou la distribution des vitesses au sein de particules en mouvement. L'application de ces procédés suppose donc également que soient connues les tailles des particules concernées, et leurs résultats ne sont pas influencés de façon déterminante par le choix des zones angulaires de mesure des flux dif- fractés, de sorte que ces procédés de vélocimétrie sont fondamentalement différents de celui objet de l'invention, tant par les résultats recherchés et obtenus, que par 252125 l'ensemble des moyens mis en oeuvre. L'interférence de deux faisceaux lumineux cohérents de longueur d'onde k, dont les axes se coupent sous un angle 9, permet l'obtention d'un interfrange dont la valeur est = 2 sin 9 En réalisant simultanément l'interférence de K faisceaux d'axes convergents, on peut former, en prenant deux faisceaux quelconques parmi les K, un nombre de combinaisons distinctes t K (K 1) auxquelles corres- pondent un maximum de t angles O distincts et de ce fait autant de valeurs d'interfranges En désignant par (S 1 ' S 2 ' Si_ et t ces valeurs d'interfranges et par V la vitesse de défilement des particules devant les franges, qui est supposée uniforme, il apparaît qu'aux diverses combinaisons possibles de ces K faisceaux 2 à 2 correspondent des fréquences de modulation sur les flux diffractés égales à: fi=V f 2 =V f=V et 1 8 2 si fût = V Lors de l'interférence simultanée de tous ces faisceaux l'analyse harmonique de la modulation résultante conduit aux 1 fréquences fil f, fi, fi et fait correspondre une amplitude à chacune Ces amplitudes désignées par e,, 2, ei, et et sont fonction des nombres et des tailles des particules illuminées et de la zone angulaire de mesure du flux diffracté. Ce procédé permet donc l'obtention, dans le signal mesuré, d'un nombre de I informations distinctes superposées provenant d'une seule prise de mesure dans une zone angulaire unique, alors qu'en l'absence de frange, usuelle dans les procédés antérieurs, une mesure par zone dans t zones angu- laires distinctes aurait été nécessaire pour l'obtention d'une quantité égale d'informations. En outre, les valeurs ei obtenues discriminent mieux 6 2521294 les effets de taille des effets de nombre que les mesures de flux diffracté continu dans les procédés globaux non interférentiels En effet, alors que le flux diffracté continu varie proportionnellement au nombre de particules éclairées quand ces dernières sont de taille uniforme, la composante alternative du flux modulé par des franges varie, dans la même hypothèse, proportionnellement à la racine carrée du nombre de particules éclairées Une amplification relative des effets de taille par rapport aux effets de nombres peut donc être mise à profit, notamment pour le comptage de particules polydispersées et pour la détermination de courbes de granulométrie En outre, la variation du taux de modula- tion de la lumière diffractée par une particule est fonction du rapport de la taille de cette dernière à l'interfrange. Ce taux varie pour des particules de forme arrondie suivant la formule 2 J ( 2 j a L 2 a dans laquelle: J 1 est la fonction de Bessel d'ordre 1 a est le rayon de la particule, et l'interfrange Il existe, dans ces conditions, des valeurs particulières du rapport a/8 pour lesquelles le taux de modulation s'annule, c'est-à-dire que pour un interfrange & donné il existe des tailles de particules pour lesquelles le flux diffracté ne présente aucune modulation, ces particules ne contribuant alors pas à la formation de la composante alternative des flux modulés diffractés. Cette propriété est particulièrement intéressante dans le cas de l'analyse de populations polydispersées en choisissant une valeur d'interfrange de manière à éliminer l'influence d'une population par annulation de sa contribution à la formation de la modulation du flux diffracté mesuré. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à associer à toute valeur d'interfrange, et pour une population donnée, une zone angulaire de mesure telle que la composante alternative du flux, qui y est diffractée par ladite population, reste invariante quand la taille de la population varie autour d'une valeur normale. 7 252121 Dans les procédés non interférentiels connus, on exploite également une zone d'invariance analogue, dans laquelle l'invariance est recherchée sur le flux diffracté total, tandis que dans le procédé conforme à l'invention, l'invariance est recherchée sur la composante alternative du flux diffracté, les deux zones ne se recouvrant donc pas, et que dans l'évolution de cette composante en fonction des variations de taille des particules le taux de modulation, qui est fonction du rapport de l'interfrange à la taille des particules, intervient. Les nouvelles zones d'invariance ainsi définies présentent l'avantage de fournir dans certains cas des informations précises de comptage sur des particules polydispersées, ces informations étant directement séparées les unes des autres du fait des propriétés discriminatoires précitées Ces nouvelles zones interférentielbs d'invariance peuvent donc permettre le comptage simultané de mélanges de particules monodispersées de tailles différentes, con- trairement aux procédés antérieurs. Un exemple caractéristique d'application du procédé conforme à l'invention concerne la numération des éléments figurés du sang, en particulier le comptage simultané des globules blancs et des plaquettes en présence des stroma, ou globules rouges lysés Dans un sang de composition normale comportant par mm 3 NB = 8000 globules blancs, N = 300 000 plaquettes, et NS = 5 000 000 de globules rouges ou stroma, une zone d'invariance en continu pour les globules blancs reçoit un flux diffracté provenant pour 50 % des globules blancs, pour 7 % des plaquettes, et pour 43 % des stroma. Du fait que cette zone n'est, en outre, pas stationnaire pour les plaquettes ni pour les stroma, le flux mesuré dans cette zone ne permet pas un comptage direct des globules blancs. Une zone interférentielle d'invariance pour les globules blancs, définie conformément à l'invention pour une valeur optimale d'interfrange, reçoit, avec les mêmes proportions entre NBI Np, et Ns, un flux diffracté dont la composante alternative provient pour 99 % des globules blancs, l'influence des autres particules étant négligeable. 8 252129 4 Du fait que, dans cette zone, cette composante est indépen- dante des variations de taille des globules blancs, son amplitude représente directement leur nombre malgré la présence des autres particules. Le procédé selon l'invention peut être appliqué à la détermination d'une courbe de granulométrie de la manière suivante En désignant par a 1 et N 1 le rayon moyen et le nombre des particules appartenant à la classe 1 et par a 2 N 2, * et a et N les rayons moyens et les nombres des particules des classes 2, j, et n,-on peut faire interférer K faisceaux définissant t = K (K 1) 1 2 fréquences harmoniques, en s'arrangeant pour que t X> n. Pour une zone angulaire unique de mesure du flux, îS l'analyse harmonique donne alors t valeurs d'amplitudes e 1 e 2-, et e L Les valeurs e sont liées aux nombres N par des relations de la forme j =n F i) = z j Ni j = 1 F (e) étant une fonction des ei, et oei, j étant un coefficient dépendant de l'interfrange S i et de aj ainsi que de la position de la zone angulaire de mesure utilisée. Cette relation peut s'écrire sous la forme matricielle suivante: IF (ei) M I Njl, et l'inversion de la matrice M donne les N par: -|NM = M IF (ei) j La meilllire discrimination du procédé conforme à l'invention est traduite par le fait que la matrice M est beaucoup plus diagonale que celle reliant les nombres aux éclairements mesurés dans les procédés globaux non inter- férentiels. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, pour optimiser l'application à la détermination de courbes de granulométrie, le procédé consiste à balayer, d'une part, i les diverses valeurs possibles d'interfranges, et, d'autre part, les diverses zones angulaires possibles, et à utiliser éventuellement plusieurs zones en combinaison, en particu- lier les zones de stationnarité relatives à N classes granu- lométriques distinguées, la combinaison des relations en découlant permettant de formerune matrice M optimale telle o j -1 que son inverse M soit la plus diagonale possible en o tenant compte du niveau des signaux à mesurer et de la précision de leurs mesures. Une telle optinisation est généralement effectuée par recherche programmée sur ordinateur, mais il est également possible, dans des cas particuliers tels que celui de la numération simultanée des globules blancs et des plaquettes du sang en présence des stroma, d'aboutir à une définition de conditions de mesure particulièrement simples, et parfois directement représentatives de certains paramètres cherchés. La mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention comporte essentiellement deux opérations, à savoir la détermination des valeurs des interfranges à utiliser, et la localisation des zones interférentielles d'invariance. A cet effet, le procédé consiste avantageusement à effectuer le choix des valeurs e d'interfrange en respectant la condition & ÄI 2,25 a, dans laquelle a est le rayon moyen des particules d'une population monodispersae. En outre, pour éliminer l'influence d'une population, par exemple perturbatrice, on choisira, de préférence, 1,64 a. Le calcul des zones interférentielles d'invariance consiste à déterminer dans un premier temps des angles S et 52 tels que, pour des particules de rayons extrêmes a et a 2 l'expression I (a, s) 2 J 1 d S 2 'S a reste stationnaire lorsque a varie de a à a 2, J 1 étant la fonction de Bessel d'ordre 1. S étant l'interfrange utilisé 2521294 I (a, s) étant l'intensité diffractée suivant un angle s, par une particule de rayon a. Cette expression se formule classiquement en fonction des paramètres du calcul. Les limites angulaires S et 52 d'une zone Z d'angle solide étant définies par rapport à l'axe X de l'un des deux faisceaux produisant l'interfrange d, il faut tenir compte du fait que le deuxième faisceau d'axe X' diffracte lui aussi dans la zone Z Comme on peut considérer une zone Z' définie autour de X' par les mêmes limites S et S 2, et dans laquelle l'invariance est la même que dans la zone Z, on constate qu'en prenant une zone de mesure Z à l'intersection des zones Z et Z', lorsqu'elle existe, on peut y réaliser la mesure d'un flux total dont la composante alternative présente les propriétés d'invariance recherchées. La zone Z ainsi définie est donc symétrique par rapport au plan de symétrie des axes des deux faisceaux considérés. Si une telle zone Z commune n'est pas définie avec une valeur S d'interfrange donnée, le calcul est repris avec une autre valeur S d'interfrange plus grande jusqu'à ce qu'une zone Z cherchée, convenant pour les particules analysées, soit déterminée. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit Des modifications restent possibles, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'inven- tion. il 252121 R E V E N D I C A T I O N S- 1 Procédé de granulométrie interférentielle globale applicable notamment à des particules biologiques, poly- dispersées, dans lequel les particules à analyser, mises en suspension dans un fluide au sein duquel elles sont réparties au hasard, défilent à travers un volume illuminé simultané- ment par plusieurs faisceaux de lumière cohérente d'axes convergents, qui y produisent un réseau de franges d'inter- férence, le volume et la concentration des particules à chaque instant étant tels qu'un ensemble de particules est éclairé simultanément, ces particules défilant à vitesse uniforme, le ou lesflux diffractés par les particules étant mesurés dans une ou plusieurs zones angulaires auxquelles correspondent des signaux de mesure présentant chacun une composante continue et une composante modulée périodiquement, procédé caractérisé en ce que le positionnement des zones angulaires de mesure est choisi d'après les critères de représentativité des signaux obtenus par rapport aux données granulométriques cherchées, en particulier pour leurs composantes alternatives, et en ce que le traitement des signaux comporte successivement une analyse harmonique de Fourier de leurs composantes alternatives, et une exploi- tation des résultats de cette analyse dans un calcul condui- sant aux paramètres recherchés, à savoir les nombres, les dimensions moyennes, et la répartition granulométrique des particules analysées. 2 Procédé, suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à associer à toute valeur d'interfrange, et pour une population donnée, une zone angulaire de mesure telle que la composante alternative du flux, qui y est diffractée par ladite population, reste invariante quand la taille de la population varie autour d'une valeur normale. 3 Procédé, suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à choisir une valeur d'interfrange de manière à éliminer l'influence d'une population par annulation de sa contribution à la formation de la modulation du flux diffracté mesuré. 4 Procédé, suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que, pour optimiser l'appli- cation à la détermination de courbes de granulométrie, il consiste à balayer, d'une part, les diverses valeurs possible* d'interfranges, et, d'autre part, les diverses zones angulaires possibles, et à utiliser éventuellement plusieurs zones en combinaison, en particu- lier les zones de stationnarité relatives à N classes granulométriques distinguées, la combinaison des relations en découlant permettant de former une matrice M optimale -l o telle que son inverse M-1 soit la plus diagonale possible o en tenant compte du niveau des signaux à mesurer et de la précision de leurs mesures. Procédé, suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste avantageuse- ment à effectuer le choix des valeurs S d'interfrange en respectant la condition t 2,25 a, dans laquelle a est le rayon moyen dès particules d'une population monodispersée. 6 Procédé, suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que le calcul des zones interférentielles d'invariance consiste à déterminer dans un premier temps des angles S 1 et S 2 tels que, pour des particules de rayons extrêmes a 1 et a 2 l'expression çP 52Ia 2 J (s d) 2 Xa reste stationnaire lorsque a varie de a à a 2, J 1 étant la fonction de Bessel d'ordre 1 étant l'interfrange utilisé I (a, s) étant l'intensité diffractée suivantunangle s, par une particule de rayon a.