Brevet FR2712977A1 — publié le 19950602

La présente invention concerne un dispositif pour mesurer l'intensité de la lumière diffusée par des concentrations élevées de particules ou macromolécules comprises entre quelques nanomètres et quelques microns. Elle s'applique plus particulièrement à la corrélation de photons. Les mesures de taille de particules par diffusion quasi-élastique de la lumière ou corrélation de photons sont largement utilisées par les professionnels depuis environ ans. Les particules ou macromolécules d'un diamètre compris entre quelques nanomètres et quelques microns peuvent être caractérisées par cette méthode qui dépend de la théorie de la diffusion de RAYLEIGH. Pour ce faire, les objets sont introduits dans un liquide (solvant ou non) en très faible proportion. L'échantillon ainsi préparé est introduit dans une cellule de mesure qui est traversée par un faisceau laser focalisé. Le mouvement brownien des dits objets produit des variations temporelles de la lumière diffusée.' Ces variations sont directement proportionnelles à la taille des particules. Ainsi, en utilisant un détecteur optique adapté (spectrodiffusomètre, spectrogoniomètre etc...), un corrélateur et des méthodes mathématiques de traitement de signal (inversion de Laplace, Transformée de Fourier), on obtient une distribution de fréquences et donc de tailles des dits objets. La théorie sur laquelle est fondée la technique indique que chaque particule agit comme un diffuseur individuel et qu'il n'y a aucun effet intéractif entre les particules, c'est-à-dire, qu'il n'y a pas de "diffusion multiple", qui limiterait, voire supprimerait, toute possibilité d'observation des variations de la lumière diffusée. Ainsi, les granulomètres submicroniques conventionnels par corrélation de photons n'analysent que de très faibles concentrations de particules. Afin de remédier à cet inconvénient, une solution connue a été d'introduire une fibre optique dans le milieu. Les particules diffusent de la lumière émise au bout de la fibre optique. La lumière rétrodiffusée par les particules retourne par la fibre optique et atteint le détecteur photosensible via un séparateur directionnel pour éviter que de la lumière source n'atteigne le photo-détecteur. Toutefois, une certaine quantité de lumière est directement réfléchie de la fibre avant même d'en être sorti et atteint le détecteur. Il faut donc la mesurer comme un signal de référence (système hétérodyne). 2 2712977 D'autres voies ont été explorées toujours dans les domaines de rétrodiffusion avec des cellules traditionnelles. Mais dans les deux cas, les effets de réflexions du faisceau incident et la forte diffusion multiple n'ont pas été permis d'aboutir à des résultats probants. L'objet de l'invention est de remédier à ces inconvénients et d'obtenir un signal homodyne, c'est-à-dire sans autre signal de référence. A ces fins, le dispositif limite les effets de la diffusion multiple en utilisant un très petit volume de diffusion. Le dispositif, io selon l'invention comporte en effet: - des détecteurs photosensibles délivrant le signal à analyser par corrélation de photons ou autre technique de traitement de signal. - une lentille de focalisation de lumière monochromatique montée sur une unité réglable en X et Y. - une cellule de mesure décrite ci-dessous. Le dispositif est remarquable en ce que la cellule de mesure est constituée par: - la surface horizontale supérieure d'un prisme de verre ou de matériau transparent surmonté d'un cylindre (muni à son extrémité d'un disque de verre noir) monté sur un positionneur micrométrique. La distance entre la surface supérieure du prisme et le disque de verre noir peut donc varier et ne mesurer que quelques microns. Ainsi, il est créé un film mince d'échantillon qui est contenu dans la cellule de mesures. Le verre noir absorbe le faisceau incident de la source monochromatique après qu'il ait traversé l'échantillon. Cette absorption évite les problèmes de réflexion par le dioptre liquide / air. Sans ce dispositif et selon l'indice de réfraction du liquide, la lumière réfléchie peut atteindre 4 % de la lumière incidente. L'utilisation du prisme écarte la tâche d'entrée du faisceau de lumière monochromatique et évite ainsi que le détecteur ne l'observe. En effet, le faisceau de lumière source entre par la face verticale du prisme. Il est totalement réfléchi par la face sécante, remonte à la verticale, traverse l'échantillon et est absorbé par le verre noir. Le détecteur, s'il est en position fixe, à 90 de la face sécante observera donc les rayons diffusés à 135 dans le cas d'un liquide et d'un prisme d'indice de réfraction identique. Dans le cas contraire, le rayon obéira à la formule nl sin il = n2 sin i2 avec nl I'indice de réfraction du premier milieu contenant les particules, n2 l'indice de réfraction du prisme, il I'angle de diffusion par rapport à la normale de la face 3 2712977 supérieure du prisme et i2 égale 45 . Si le détecteur est placé dans d'autres conditions, l'angle original de diffusion sera recalculé au moyen des mêmes formules sans oublier que le faisceau subira une deuxième déviation en sortant du prisme et en entrant dans l'air. L'avantage d'un tel dispositif est donc de supprimer les réflexions de lumière, d'éloigner la tâche d'entrée du faisceau laser et de créer une couche mince d'échantillon limitant ainsi les problèmes de diffusion multiple en milieu concentré. Les premières mesures o réalisées ont donné d'excellents résultats pour des concentrations supérieures à 40% de matière solide. Le dispositif conforme à l'invention peut être réalisé soit en ajoutant un élément supplémentaire aux instruments connus de l'état de la technique, soit en fabriquant un instrument autonome. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif conforme à l'invention comporte une source monochromatique (LASER), un élément dioptrique (prisme de verre par exemple), une pièce de métal ou de matériau résistant, percé en son centre et soigneusement collé sur la surface horizontale du prisme et formant ainsi un réservoir d'accueil de l'échantillon à analyser, et un cylindre monté sur un micropositionneur, muni à son extrémité inférieure d'un disque de verre noir. Ce disque noir a une face légèrement convexe pour assurer un point de contact évitant ainsi les problèmes de précision de linéarité planaire des deux surfaces. De façon avantageuse, le faisceau LASER focalisé par une lentille montée sur une unité réglable en X et Y entre dans un prisme de verre d'angle A = 90 à la normale de la face d'entrée. Il est ainsi totalement réfléchi vers le haut par la surface inclinée à , et sort du prisme à 90 de la surface horizontale supérieure. Il traverse l'échantillon à analyser. L'échantillon est en contact direct avec la surface supérieure du prisme. Son épaisseur varie en fonction de la translation verticale micrométrique d'un positionneur muni d'une pièce de verre comportant une extrémité inférieure noire. Les figures annexées font bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre, de façon schématique, un dispositif connu d'acquisition. 4 2712977 La figure 2 montre les effets parasitaires de mesures de rétrodiffusion sur ces instruments classiques. La figure 3 illustre, schématiquement, un dispositif conforme à l'invention. La figure 4 illustre, schématiquement, les trajets optiques. Lesdits instruments classiques de caractérisation de particules submicroniques par corrélation de photons tels que schématiquement décrits sur la figure I comportent: o10 un générateur laser (1) (non représenté) engendrant un faisceau laser rectiligne (2). Sur le trajet du faisceau laser (2) est disposée une cuve cylindrique ou à faces parallèles (3) contenant un mélange d'objets, particules ou macromolécules M. Le faisceau laser est focalisé au moyen d'une lentille convergente (4) au centre de cette cuve. Les objets (M) peuvent être en solution ou en suspension dans le liquide. Un détecteur (5) comprenant un système optique et une unité photosensible observe le centre de la cuve selon un angle a par rapport à l'axe X Y. L'unité photosensible est ensuite reliée à un calculateur de traitement de signaux (non représenté). Les objets (M) éclairés par le faisceau (2) diffusent de la lumière. Le mouvement brownien des objets produit des variations temporelles de la lumière diffusée. Ces variations sont directement proportionnelles à leurs tailles et peuvent être étudiées, par exemple, par un corrélateur de photons. On comprendra aisément pourquoi, au vu de la figure 2, ce dispositif connu ne permet pas une analyse d'échantillons concentrés. En effet, le détecteur (5), observant une solution d'objets (M) selon un angle a par rapport à l'axe XY supérieur à 90 (rétrodiffusion), recevra, en plus du signal caractéristique de diffusion directe (6) les rayons lumineux dus à la diffusion multiple (7), et les rayons de la réflexion du laser (8) entrant dans la cuve (3). Ces derniers rayons lumineux parasites créent un mauvais rapport signal sur bruit ce qui rend impossible l'étude des faibles variations citées ci- dessus. La figure 3 représente en coupe le dispositif conforme à l'invention. Il comporte en effet un élément dioptrique, en l'occurence un prisme (9) d'angle A = 90 , par exemple en verre, chargé de réfracter totalement le faisceau laser (2). Les différentes faces (10, 11,12) dudit prisme (9) forment chacune un dioptre c'est-à-dire une surface optique séparant deux milieux d'indice de réfraction différents. Le rayon LASER (2) entre par la normale de la face (10) est totalement réfléchi par la 2712977 face (11) (du fait qu'il forme un angle supérieur ou égal à l'angle limite de réfraction) et sort ainsi par la normale de la face (12). Par conséquent, la réflexion du faisceau intervient sur la face (10) et est donc très éloignée du volume d'observation situé sur la face (12). La face (12) est surmontée d'une pièce de métal noir (13) ou d'un autre matériau solide percé en son centre et contenant l'échantillon comprenant les objets M à analyser formant ainsi la cuve d'accueil de l'échantillon(3). io Le dispositif comprend en outre un micropositionneur (14) à mouvement vertical maintenant une pièce dont l'extrémité inférieure est en verre noir (15). Cette pièce de verre noir (15) a la même forme et des dimensions légèrement inférieures à la cuve d'accueil (3). Elle pourra ainsi s'encastrer dans la cuve. De façon avantageuse, I'extrémité de verre noir (15) sera légèrement convexe pour assurer un point de contact avec la face (12) et éviter ainsi des problèmes de précision de linéarité planaire entre deux surfaces. La translation micrométrique du positionneur (14) fera varier l'épaisseur de l'échantillon à analyser jusqu'à créer un film mince (16) de quelques microns. Ainsi, l'interactivité lumineuse entre les objets (M) contenus dans l'échantillon est fortement diminuée du fait que peu d'objets (M) ne pourront se trouver dans le film mince (16). L'expérimentateur choisira les plus faibles épaisseurs de film (16) pour les plus petits objets (M) et inversement. Il est ainsi évident que la création de ce film mince (16) d'échantillon diminue fortement les effets de diffusion multiple décrits précédemment. La figure 4 conforme au dispositif selon l'invention, montre plus précisément le trajet optique. La lentille (4) focalise le faisceau (2) au point B situé sur la face (10). Le détecteur (5), solidement fixé observe le volume d'échantillon situé au point A Il est placé sur un axe à 90 de la face (11). Ainsi, dans le cas d'un liquide d'indice de réfraction identique à celui du matériau constituant le prisme, les rayons diffusés par les objets (M) contenus dans l'échantillon ne subiront pas de déviation et l'angle d'observation par rapport au faisceau incident est de 135 . Dans le cas, par exemple, d'un échantillon aqueux (d'indice de réfraction n1 = 1,33 et d'un prisme de verre d'indice n2 = 1,5) le détecteur situé au même endroit que ci- dessus, observant les rayons diffusés à 127 par rapport au faisceau incident. La valeur de cet angle est donnée par la relation n1sinl1 = n2sinl2 soit 1,33sinlI = 1,5 (sin 45 ) soit sinl1 = 1,5 x/ 1,33 d'o 11 = 52,89, soit environ un angle de (180-52,9)=127,1o 6 2712977 par rapport au faisceau incident. Selon un mode particulier de réalisation, la cuve (3) contenant l'échantillon à analyser pourra être usinée directement dans la partie supérieure du prisme (9). Selon un autre mode de réalisation, le détecteur (5) pourra être mobile et ainsi observer le point B selon divers angles. Selon un autre mode de réalisation, les valeurs des angles du prisme (9) pourront être i0 différentes de celles du dispositif avantageux décrit en figure 3 et 4. L'angle d'incidence du faisceau (2) avec la face (A) sera alors tel qu'il soit entièrement réfléchi, et le détecteur (5) sera positionné pour qu'il observe les rayons rétrodiffusés et tiendra compte des déviations dans le prisme (9) qui obéissent à la loi générale n1 sinl1 =n2sinl2. f !' 7 2712977 REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour mesurer l'intensité de la lumière diffusée par des films minces de solutions ou suspensions concentrées d'objets (particules ou macromolécules) plus particulièrement destiné être utilisé par les techniques de diffusion quasi-élastique de la lumière ou corrélation de photon. Il comprend: - un générateur (1) d'un faisceau de lumière monochromatique (2). - un système optique (4) convergent focalisé sur le volume observer contenant les objets (M) - un détecteur photosensible (5) observant la lumière rétrodiffusée par les objets. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un prisme (9) sur le trajet du faisceau (2) et dont une des faces (12) est le fond de la cellule comprenant l'échantillon analyser. L'échantillon devient un film mince (16) par translation verticale d'un positionneur micrométrique (14) maintenant un disque de verre noir (15) absorbant le faisceau incident. 2/ Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que la face supérieure (12) du prisme (9) est évidée pour être utilisée comme cuve d'accueil de l'échantillon analyser. 3/ Dispositif selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que l'orientation ou les angles du prisme (9) seront tels que le faisceau (2) source de lumière monochromatique soit entièrement réfléchi par la face (11). Dans ce cas, le détecteur (5) sera positionné pour observer les rayons rétrodiffusés en tenant compte de la loi générale de réfraction d'un dioptre nl sin il = n2 sin il. 4/ Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le détecteur (5) est mobile afin d'observer le volume d'échantillon selon différents angles.