Brevet FR3064067A1 — publié le 20180921

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la caractérisation de l'adhésion entre un 5 ensemble de particules en suspension liquide et un type de surface. Plus particulièrement, elle propose un procédé et un système permettant la mesure d'au moins une grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion entre une suspension de particules et un type de surface, telle qu'une constante d'Hamaker et/ou un potentiel zêta. 10 ETAT DE LA TECHNIQUE Les interactions de van der Waals régissent la stabilité d'une suspension colloïdale, en particulier d'une suspension de particules en phase liquide, en association avec les interactions de la double couche 15 électrique de Debye. Différents paramètres peuvent représenter les interactions de van der Waals entre des particules en suspension et une paroi. La constante de Hamaker permet en particulier de rendre compte des interactions de van der Waals entre deux corps. 20 Gaboriaud et al. (Gaboriaud, F., Et Dufrêne, Y. F., 2007, Atomic force microscopy of microbial cells: application to nanomechanical properties, surface forces and molecular recognition forces. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 54(1), 10-19) décrivent deux méthodes de mesure de la constante de Hamaker entre une particule et un substrat, séparés par une 25 phase liquide, en utilisant un microscope à force atomique. Dans une première méthode, un microscope à force atomique mesure séparément la constante de Hamaker de chacun des matériaux du système dans le vide. Une constante du système complet est ensuite calculée selon une équation d'approximation. Cette méthode ne permet pas de mesurer la constante de 30 Hamaker du système de manière précise. A cet effet, la constante de Hamaker peut également être estimée par l'approximation Lifshitz, qui 3064067 2 prend en compte les propriétés diélectriques des matériaux ainsi que ses indices de réfraction (Israelachvili, J., 2011, intermolecular and Surface Forces, Academic Press). Dans une autre méthode, décrite par Farell et al (Farell, M. Et Beaudoin, S., 2010, Surface forces and protein adsorption on dextran-and polyethylene glycol-modified polydimethylsiloxane. Colloids and Interfaces 8 : Biointerfaces 81: 468-475), la constante de Hamaker est mesurée en attachant une particule à la sonde d'un microscope à force atomique. La constante du système est alors mesurée directement. L'étape consistant à attacher une particule sur une sonde peut entraîner une dénaturation ou une contamination de la particule et/ou de la sonde. De plus, cette méthode ne permet pas de mesurer la constante de Hamaker pour un grand nombre de particules, par exemple supérieur à cent. Cette méthode ne permet pas de réaliser une moyenne statistique de manière à réduire l'incertitude expérimentale de la mesure. Enfin, cette méthode est précise lorsque la mesure est réalisée dans le vide, mais elle devient très approximative lorsqu'elle est réalisée dans un liquide. Le potentiel zêta est également un paramètre qui contribue à la stabilité des particules en suspension. Le potentiel zêta représente le potentiel des forces électrostatiques d'un système de particules en suspension et d'une paroi. Il est connu de mesurer le potentiel zêta en illuminant des particules dans un échantillon à analyser. La diffusion lumineuse des particules par la source lumineuse est détectée. Quand un champ électrique est appliqué aux particules, les particules migrent vers une électrode, entraînant une variation de l'intensité lumineuse diffusée. Il est possible de calculer leur mobilité électrophorétique à partir de l'intensité lumineuse mesurée et d'en déduire le potentiel zêta. Mustin et al. (Mustin, 8., Et Stoeber, B. (2015). Single layer deposition of polystyrene particles onto planar Polydimethylsiloxane substrates. Langmuir, 32(1), 88-101) décrivent l'adsorption de particules à une paroi et la comparent au modèle d'approximation. L'adsorption de particules à la paroi est réalisée en utilisant un jet entraînant une collision 3064067 3 de particules contre la paroi : les particules de la suspension sont projetées par advection contre la paroi, entraînant une possible adsorption des particules. Mustin et al. utilisent des grandeurs caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion entre la suspension de particules et la paroi 5 telles que la constante d'Hamaker et le potentiel zêta en les calculant selon les méthodes connues de l'art antérieur présentées précédemment. Cette méthode ne permet pas de mesurer des grandeurs correspondant aux interactions de van der Waals entre les particules, le milieu liquide et la paroi. 10 RESUME DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer une solution pour pouvoir estimer efficacement une ou plusieurs grandeurs caractéristiques de l'adhésion, par exemple représentatifs d'une interaction de van der Waals, 15 entre un ensemble de particules en suspension liquide et un type de surface, par exemple une surface en un matériau donné. En particulier, un but de l'invention est de proposer une solution pour mesurer précisément la constante de Hamaker d'un tel ensemble de particules et d'un type de surface et/ou le potentiel zêta des particules. 20 Un autre but de l'invention est de proposer une solution pour mesurer ces paramètres d'une manière plus précise que les mesures proposées dans l'art antérieur, en particulier lorsque les particules sont suspendues dans une solution aqueuse. Un autre but de l'invention est de proposer une solution pour 25 mesurer ces paramètres sur plusieurs systèmes de particules en suspension liquide de manière simultanée. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un système comportant au moins un canal fluidique et des moyens d'injection d'une suspension de particules dans ledit canal. 30 Ce système est un système de mesure d'au moins une grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion entre un ensemble 3064067 4 de particules en suspension et un type de surface donné, telle que la constante d'Hamaker entre ledit ensemble en suspension et ledit type de surface et/ou le potentiel zêta dudit ensemble en suspension, dans lequel au moins une partie de paroi intérieure dudit canal correspond au type de 5 surface précité, dans lequel la géométrie du canal fluidique est adaptée à ce que la direction de la vitesse moyenne d'un écoulement dans le canal fluidique est parallèle à la paroi intérieure, ledit système comprenant : une unité de détection des particules adsorbées par ladite partie de paroi intérieure ; 10 - une unité de calcul adaptée pour déterminer, en fonction d'un nombre de particules adsorbées détectées par l'unité de détection et de la durée sur laquelle ces particules adsorbées sont détectées, une valeur pour la grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion, 15 des moyens d'interface utilisateur auxquels la valeur ainsi déterminée est transmise comme valeur de mesure. On comprend qu'avec un tel système, il est possible de caractériser quantitativement (et non pas simplement qualitativement comme c'était le cas avec les mesures connues dans l'art antérieur) l'accrochage des 20 particules d'une suspension sur une paroi La mesure obtenue se fait un nombre important de particules. Elle est donc particulièrement précise avec un intervalle de confiance à 95% Elle est en outre simple à mettre en oeuvre. Avantageusement, la partie de paroi intérieure est transparente, du 25 moins le plancher et le plafond sont transparents, le système de détection des particules comportant un imageur optique adapté pour imager ladite partie de paroi. Avantageusement, le système de mesure comporte plusieurs canaux fluidiques en parallèle. 30 Un autre objet de l'invention est un procédé dans lequel on injecte une suspension de particules dans un canal fluidique, caractérisé en ce que 3064067 5 ledit procédé est un procédé de mesure d'au moins une grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion entre un ensemble de particules en suspension et un type de surface donné, telle que la constante d'Hamaker entre ledit ensemble en suspension et ledit type de 5 surface et/ou le potentiel zêta dudit ensemble en suspension, au moins une partie de paroi intérieure dudit canal correspondant au type de surface précité et la géométrie du canal fluidique étant adaptée à ce que la direction de la vitesse moyenne d'un écoulement dans le canal fluidique est parallèle à la paroi intérieure ; et en ce que ledit procédé comprend les 10 étapes de: - détection des particules adsorbées par ladite partie de paroi intérieure ; détermination, en fonction d'un nombre de particules adsorbées détectées et de la durée sur laquelle ces particules adsorbées sont 15 détectées, d'une valeur pour la grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion, la valeur ainsi déterminée étant transmise à des moyens d'interface utilisateur pour y être présentée comme une valeur de mesure de ladite grandeur. 20 Avantageusement, une valeur calculée est la constante de Hamaker, celle-ci étant déterminée comme proportionnelle au carré du ratio entre le nombre de particules adsorbées détectées et la durée sur laquelle ces particules adsorbées sont détectées. Avantageusement, lors de la détermination d'une valeur pour la 25 grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion, on met en oeuvre une étape de calcul de la vitesse d'injection de la suspension dans le ou les canaux fluidiques avant d'injecter la suspension, à partir d'une approximation de la constante de Hamaker A, l'approximation de la constante de Hamaker A étant calculée à partir de plusieurs valeurs de la 30 constante de Hamaker d'un seul matériau ou à partir de Lifshitz, et dans 3064067 6 lequel on contrôle l'injection pour qu'elle intervienne à la vitesse ainsi calculée. Avantageusement, on injecte la suspension de manière à ce que la vitesse du liquide dans le canal fluidique à une distance de la paroi égale 5 au rayon moyen d'une particule soit supérieure à (1. D. k.T)/ (A. r2), où l est la longueur de la paroi dans le sens de l'écoulement dans laquelle des particules sont comptées lors de l'étape de détection des particules, D est le coefficient de diffusion des particules dans le liquide, k est la constante de Boltzmann, T est la température et r est le rayon moyen d'une particule. 10 Avantageusement, la force ionique du liquide est choisie de manière à ce que la longueur de Debye h soit inférieure à 10 nm. Avantageusement, la force ionique du liquide est choisie de manière à ce que la longueur de Debye h soit inférieure à A/ (40EEop) où A est la 15 constante de Hamaker, £ est la permittivité diélectrique du liquide, Eo est la permittivité du vide, i', est le potentiel zêta du liquide et ' est le potentiel zêta d'une particule. Avantageusement, le procédé est procédé de mesure du potentiel zêta d'un ensemble de particules dans lequel on met en oeuvre les étapes 20 suivantes : détection du nombre de particules adsorbées pour plusieurs suspensions de concentrations en sel différentes et, en fonction de ces détections, détermination d'une concentration au-dessous de laquelle les particules n'adhérent pas à la paroi ; 25 - détermination du potentiel zêta d'un ensemble de particules en fonction de la concentration seuil ainsi déterminée et de la constante de Hamaker calculée. Avantageusement, on injecte simultanément dans plusieurs canaux fluidiques des suspensions de particules de forces ioniques différentes. 30 3064067 7 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et 5 doit être lue en regard des figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un canal fluidique ; - la figure 2 illustre un système de mesure d'une grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion entre une 10 suspension de particules et un type de surface ; - la figure 3 illustre schématiquement un système fluidique comprenant plusieurs canaux fluidiques agencés en parallèle ; - les figures 4 et 5 illustrent différentes étapes d'un procédé permettant de compter et/ou de mesurer le nombre de particules 15 adsorbées à la paroi et de calculer la constante de Hamaker Â; - la figure 6 reprend deux microphotographies de particules circulant dans un canal fluidique ; - la figure 7 illustre l'adsorption de particules dans deux systèmes de mesure dans lesquels les parois sont différentes ; 20 - la figure 8 illustre l'adsorption de particules dans deux systèmes de mesure dans lesquels les parois sont différentes ; - la figure 9 est un diagramme illustrant l'évolution du nombre de particules adsorbées à une paroi avec le temps ; - la figure 10 est un diagramme illustrant l'évolution du nombre de 25 particules adsorbées à une paroi avec le temps ; - la figure 11 est un diagramme illustrant des valeurs de la constante de Hamaker ; - la figure 12 est un diagramme de phase illustrant différents régimes de cinétique d'adsorption de particules. 30 3064067 8 DEFINITIONS Les termes « forces de van der Waals » et « interactions de van der Waals » désignent respectivement les forces et interactions d'origine 5 électroniques de faible intensité également désignées par forces ou interactions de London. Dans le cadre de l'invention, les termes « forces de van der Waals » et « interactions de van der Waals » excluent les forces électrostatiques liées à la couche électrostatique de Debye à proximité des surfaces d'une paroi ou des particules. 10 Le terme « particule » désigne tout type de micro/nanoparticule, comme une particule solide, molle, creuse, biologique (cellule, microorganisme tel que, notamment, une bactérie). Le terme « micro/nanoparticule » désigne une particule dont le diamètre est compris entre 1 nm et 500 pm. 15 ELEMENTS THEORIQUES La figure 1 illustre un canal fluidique 4. Ce canal est défini par une hauteur h, une largeur w et une longueur L dans un repère défini par les vecteur (x,y,z). Le canal fluidique 4 comporte une entrée 5 et une sortie 6. 20 On considère l'écoulement d'une suspension de particules 1 dans le canal fluidique 4, rectangulaire droit. Il est possible de décrire un champ stationnaire C(x,z) correspondant à la concentration en particules de la suspension, injecté à un débit contrôlé et constant à l'entrée 5 du canal. Le taux d'injection des particules dans le canal, c'est-à-dire le nombre de 25 particules injectées par unité de temps, est 9Q/vp ou cp est la fraction volumétrique des particules, Q le débit (en volume) de la suspension et vp est le volume d'une particule. Pour de larges particules, comprises dans la moitié du canal proche de la paroi (c'est-à-dire z 0 par la formule (5) : (5) 15 La solution de la formule (5) décrit une couche de déplétion en particules dans le fluide, se formant en avançant dans le canal fluidique 4. Son épaisseur adimensionnée est égale a REVENDICATIONS1. Procédé dans lequel on injecte une suspension de particules dans un canal fluidique, caractérisé en ce que ledit procédé est un procédé de mesure d'au moins une grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion entre un ensemble de particules (1) en suspension et un type de surface donné (2), telle que la constante d'Hamaker entre ledit ensemble en suspension et ledit type de surface et/ou le potentiel zêta dudit ensemble en suspension, au moins une partie de paroi intérieure (2) dudit canal correspondant au type de surface précité et la géométrie du canal fluidique (4) étant adaptée à ce que la direction de la vitesse moyenne d'un écoulement dans le canal fluidique (4) soit parallèle à la paroi intérieure (2) ; et en ce que ledit procédé comprend les étapes de: détection (7) des particules adsorbées par ladite partie de paroi intérieure (2) ; détermination, en fonction d'un nombre de particules adsorbées détectées et de la durée sur laquelle ces particules adsorbées sont détectées, d'une valeur pour la grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion, la valeur ainsi déterminée étant transmise à des moyens d'interface utilisateur pour y être présentée comme une valeur de mesure de ladite grandeur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une valeur calculée est la constante de Hamaker, celle-ci étant déterminée comme proportionnelle 3064067 26 au carré du ratio entre le nombre de particules adsorbées détectées et la durée sur laquelle ces particules adsorbées sont détectées. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel, lors de la 5 détermination d'une valeur pour la grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion, on met en oeuvre une étape de calcul de la vitesse d'injection de la suspension dans le ou les canaux (4) avant d'injecter la suspension, à partir d'une approximation de la constante de Hamaker A, l'approximation de la constante de Hamaker A étant calculée 10 à partir de plusieurs valeurs de la constante de Hamaker d'un seul matériau, et dans lequel on contrôle l'injection pour qu'elle intervienne à la vitesse ainsi calculée. 4. Procédé selon la revendication 2 dans lequel on injecte la suspension 15 de manière à ce que la vitesse du liquide dans le canal (4) à une distance de la paroi égale au rayon moyen d'une particule soit supérieure à (1.D.k.n/(A.r2), où 1 est la longueur de la paroi (2) dans le sens de l'écoulement (11) dans laquelle des particules sont comptées lors de l'étape de détection des particules, D est le coefficient de diffusion des particules 20 (1) dans le liquide, k est la constante de Boltzmann, T est la température et r est le rayon moyen d'une particule. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel la force ionique du liquide est choisie de manière à ce que la longueur de Debye Ào 25 soit inférieure à 10 nm. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel la force ionique du liquide est choisie de manière à ce que la longueur de Debye Ào soit inférieure à A/ (40EEop) où A est la constante de Hamaker, £ est la 30 permittivité diélectrique du liquide, Eo est la permittivité du vide, i', est le potentiel zêta du liquide et ' est le potentiel zêta d'une particule. 3064067 27 7. Procédé de mesure du potentiel zêta d'un ensemble de particules (1) selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel on met en oeuvre les étapes 5 suivantes : - détection du nombre de particules (1) adsorbées pour plusieurs suspensions de concentrations en sel différentes et, en fonction de ces détections, détermination d'une concentration au-dessous de laquelle les particules n'adhérent pas à la paroi (2) ; 10 - détermination du potentiel zêta d'un ensemble de particules (1) en fonction de la concentration seuil ainsi déterminée et de la constante de Hamaker calculée. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel on injecte 15 simultanément dans plusieurs canaux fluidiques (4) des suspensions de particules de forces ioniques différentes. 9. Système (3) comportant au moins un canal fluidique (4) et des moyens d'injection (10) d'une suspension de particules (1) dans ledit canal 20 (4), caractérisé en ce que ledit système est un système de mesure d'au moins une grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion entre un ensemble de particules (1) en suspension et un type de surface donné 25 (2), telle que la constante d'Hamaker entre ledit ensemble en suspension et ledit type de surface et/ou le potentiel zêta dudit ensemble en suspension, en ce que au moins une partie de paroi intérieure (2) dudit canal correspond au 30 type de surface précité, en ce que 3064067 28 la géométrie du canal fluidique (4) est adaptée à ce que la direction de la vitesse moyenne d'un écoulement dans le canal fluidique (4) soit parallèle à la paroi intérieure (2) ; et en ce que 5 ledit système comprend : une unité de détection (7) des particules adsorbées par ladite partie de paroi intérieure (2) ; une unité de calcul (9) adaptée pour déterminer, en fonction d'un nombre de particules adsorbées détectées par l'unité de 10 détection (7) et de la durée sur laquelle ces particules adsorbées sont détectées, une valeur pour la grandeur caractérisant une propriété intervenant dans l'adhésion, des moyens d'interface utilisateur auxquels la valeur ainsi déterminée est transmise comme valeur de mesure. 15 10. Système selon la revendication 9 dans lequel la partie de paroi (2) intérieure est transparente, le système de détection des particules comportant un imageur optique adapté pour imager ladite partie de paroi (2). 20 11. Système selon la revendication 9 ou 10, comportant plusieurs canaux fluidiques en parallèle.