LIGHT SCATTERING PHOTOMETER

Abstract: 1. Diffuse radiation photometer, specially for determining the principle characteristics (size, molecular mass) of certain particles as macromolecules or virus or bacteries suspended in a neutral medium contained in a sample container (12) for analysis, of the kind comprising a laser light source (11) to illuminate said sample container and detection means (15) detecting the light at least in a predetermined diffusion angle, said laser light beam having a sensibly cylindrical shape, at least within said sample container, which comprises an entrance sidewall for said laser beam being conform with a second lense (22) coaxial with a first lense (21) constituting the outlet side wall, said lense being preferably of the piano-convex type, characterized in that said sample container (12) for analysis has the shape of a housing element (30) with conduits (36) for circulation of a coolant fluid, which are fitted in the body of the housing element (30) for regulating the temperature of said medium.

Description: APPAREIL DE PHOTOMETRIE PAR DIFFUSION. L'invention concerne un appareil de photométrie par diffusion dans un milieu d'analyse de la lumière émise à partir d'un laser. L'invention s'applique particulièrement pour la détermination des principales caractéristiques (taille, masse moléculaire...) de certaines particules telles que des macromolécules ou des virus ou des bactéries en suspension dans un solvant approprié du milieu d'analyse. On sait qu'un faisceau lumineux traversant un milieu hétérogène est diffusé par celui-ci, dans toutes les directions de l'espace. Le spectre de diffusion, s'il peut être relevé avec précision, est susceptible de donner des informations sur la taille des particules constituant l'hétérogénéité, leur masse moléculaire ou encore leur mouvement. Les mesures effectuées sur les rayons diffusés vers l'avant et avec des angles de déviation faibles par rapport au faisceau incident, sont les plus riches en informations représentatives des paramètres recherchés. Malheureusement, il est très difficile de les mesurer, en raison notamment des perturbations introduites par la proximité du faisceau incident direct, lequel a une intensité très supérieure à celle des rayons diffusés au voisinage. Dans le passé, on a donc dû se contenter d'effectuer les mesures pour des angles de diffusion relativement grands (supérieurs à 100) au moyen d'un photomultiplicateur que l'on déplaçait circulairement tout autour d'une éprouvette dans laquelle la diffusion d'un faisceau lumineux était provoquée.Ceci nécessitait ensuite une extrapolation graphique appelée "construction de Zimm", faite à partir des résultats de mesures aux angles élevés, pour en déduire les valeurs aux faibles angles et aux faibles concentrations, lesquelles permettent en particulier la détermination de la masse moléculaire de la substance analysée. Malheureusement, cette extrapolation dans la construction de Zimm peut être assez largement entachée d'erreur, si les centres de diffusion constituant l'hétérogénéité ont des tailles très différentes, ou si des impuretés (poussières) sont présentes dans le milieu à analyser. En revanche, si les caractéristiques de diffusion dépendent normalement de la taille et de la forme des centres de diffusion, ce qui introduit un facteur de forme dans les équations (lequel est difficile à apprécier et constitue l'une des sources d'erreur de l'extrapolation de Zimm), il est à noter que ce facteur tend vers l'unité pour les petits angles de diffusion, ce qui montre l'intérêt de pouvoir effectuer des mesures directes dans ce domaine. En particulier, si des mesures peuvent être effectivement effectuées dans le domaine des petits angles, l'extrapolation de Zimm n'est plus nécessaire. On a alors recours à une autre méthode consistant à déterminer, pour une pluralité d'angles de diffusion faibles, un parametre appelé "rapport de Rayleigh". Le rapport de Rayleigh se définit comme étant le quotient entre l'intensité lumineuse diffusée pour un angle faible donné et l'intensité du faisceau lumineux non dévié. Si ces mesures sont faites pour un nombre suffisant d'angles de diffusion faibles et à différentes concentrations de la substance à analyser, on peut en deduire la masse moléculaire et la taille des centres de diffusion avec une précision bien meilleure que par la construction de Zirrnn, Un progrès notable a été obtenu par, d'une part, l'utilisation du laser en tant que source lumineuse et, d'autre part, la mise au point d'un appareil permettant de déterminer le rapport de Rayleigh aux petits angles. Un tel appareil, qui est décrit en particulier dans le brevet américain n" 3.843.268, comporte une éprouvette renfermant la substance à analyser en présence d'un solvant convenable et des moyens de focalisation d'un faisceau laser à l'intérieur de cette éprouvette. Un écran comportant une ouverture annulaire est placé a la sortie de l'éprouvet- te de façon que ladite ouverture soit centrée sur l'axe du faisceau incident. Un faisceau diffusé selon un angle donné est donc sélectionné par cette ouverture. Le diamètre de celle-ci est bien entendu fonction de l'angle de diffusion pour lequel on désire déterminer le rapport de Rayleigh. Cependant, le faisceau incident non dévié et de forte intensité, qui sort de l'éprouvette, est divergent puisque la focalisation a lieu dans ladite éprouvette. Ceci empêche d'effectuer des mesures dans le domaine des très petits angles de diffusion, car le diamètre de l'ouverture annulaire correspondante devrait alors être si faible qu'il rencontrerait une partie au moins du faisceau incident non diffusé, ôtant toute signification à la mesure. En pratique, avec un tel type d'appareil, le rapport de Rayleigh ne peut plus être déterminé pour des angles de diffusion inférieurs à 2". En outre, l'écran portant l'ouverture annulaire de sélection doit être changé pour toute nouvelle mesure portant sur un angle de diffusion différent, puisque le diamètre de l'ouverture conditionne le choix de l'angle de diffusion analysé. Autrement dit, cet appareil ne permet pas de relever simultanément toutes les données permettant le calcul du rapport de Rayleigh pour une pluralité d'angles de diffusion. Les mesures demandent au contraire un certain temps pendant lequel l'état du milieu d'analyse peut varier, ou encore des perturbations extérieures aléatoires peuvent survenir. Ceci constitue une source supplémentaire d'erreur. L'invention permet de résoudre tous ces inconvénients, c' est-à- dire en particulier de pouvoir mesurer l'intensité des rayons diffusés pour des angles de diffusion vers l'avant de valeur inférieure à 2", si nécessaire et de relever en un temps très bref toutes les valeurs de mesure permettant la détermination du rapport de Rayleigh pour une pluralité d'angles de diffusion. Dans cet esprit, l'invention concerne donc principalement un appareil de photométrie par diffusion, notamment pour l'analyse de particules en suspension dans un milieu neutre contenu dans une éprouvette d'analyse, du type comportant un générateur de faisceau laser agencé pour illuminer ladite éprouvette et des moyens de détection de la luniè- re diffusée suivant au moins un angle prédéterminé, caractérisé en ce que ledit faisceau laser étant sensiblement cylindrique au moins à l'intérieur de ladite éprouvette, celle-ci comporte une paroi de sortie pour ledit faisceau laser conformée en une première lentille, de préférence du type plan-convexe et en ce qu'au moins un moyen de mesure optoélectrique est placé sensiblement dans le plan focal de ladite premiere lentille. Ladite première lentille permet donc de focaliser tous les rayons résultant d'une diffusion sous un angle donné en une zone annulaire correspondante de son plan focal. Il suffit donc de placer des cellules optoélectriques, par exemple des photodiodes, en des emplacements choisis de ce plan focal, pour pouvoir effectuer simultanément des mesures d'intensité lumineuse correspondant respectivement à un certain nombre d'angles de diffusion sélectionnés. Il est à noter qu'avec la structure définie ci-dessus, le principe de fonctionnement conforme à l'invention apparaît conique cet pratiquement à l'opposé de celui qui est mis en oeuvre par l'appareil antérieur décrit ci-dessus, puisque le faisceau laser incident, ainsi que tous les rayons diffusés, ne sont focalisés qu'au-del de l'êprouvette d'analyse et plus particulièrement sur le plan focal de ladite première lentille où se trouve précisément placé le moyen de mesure optoélectrique précité. Ce dernier peut être constitué soit par une rangée de photodiodes espacées les unes des autres pour correspondre chacune avec un certain angle de diffusion sélectionné, soit par une seule photodiode assujettie à se déplacer le long d'un axe dudit plan focal pour remplir la même fonction. Par ailleurs, le générateur de faisceau laser précité est choisi pour émettre une lumière polarisée, tandis qu'un polariseur-analyseur est susceptible d'être placé sur le trajet optique des faisceaux diffusés, à la sortie de ladite éprouvette, en considérant le sens de propagation du faisceau laser, pour permettre d'étudier la dépolarisation partielle de la lumière provoquée à son passage dans le milieu d'analyse. La distribution de la dépolarisation suivant les angles de diffusion donne encore accès à d'autres informations sur la structure et la masse moléculaire des centres de diffusion qui sont les particules objets de l'analyse. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celleci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins non limitatifs annexés, dans lequels - la figure 1 est une vue schématique en élévation de l'appareil conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue schématique partielle, à plus grande échelle, de ce meme appareil, illustrant ses propriétés de focalisation; - la figure 3 est une vue extérieure d'un mode de réalisation préféré de l'éprouvette équipant l'appareil des figures I et 2; et - la figure 4 est une coupe éclatée IV-IV de la figure 3. En se référant plus particulièrement aux figures 1 et 2, l'appareil de photométrie selon l'invention comporte un générateur de faisceau laser 11, une éprouvette d'analyse 12, des moyens 13 pour rendre le faisceau laser parallèle et comportant notamment un expanseur 14 destiné à élargir le faisceau laser pénétrant dans l'éprouvette 12 et des moyens de mesure optoélectrique 15 agencés dans un plan de rcep- tion 16. Le générateur 11 est monté sous une table de travail 17 traversée par un double prisme de déviation 18 ou périscope, à positionnement réglable, pour le redressement du faisceau laser 19. Cet agenca nit classique permet de disposer d'un ensemble plus compact, mais il est bien évident que le générateur Il pourrait tout aussi bien être disposé à gauche de l'expanseur 14 en considérant la figure 1, en supprimant le prisme 18. Le générateur de faisceau laser 11 comporte sa propre optique interne, non représentée, permettant d'obtenir un mince faisceau 19, quasi cylindrique. L'éprouvette d'analyse 12 est renarquable en ce qu'elle se compose essentiellement d'une cavité 20 munie d'une paroi de sortie pour le faisceau laser qui est conformée en une premiere lentille 21, ou lentille de sortie, du type plan-convexe, dans l'exemple décrit. Par ailleurs, le plan de réception 16 est confondu avec le plan focal de ladite première lentille 21. La cavité 20 est destinée à contenir les substances à analyser, en suspension dans un solvant adéquat. Etant donné que, pour obtenir une bonne précision de la mesure, le faisceau laser 19 doit être le plus cylindrique possible à l'intérieur de l'éprouvette et qu' il est préférable que son diamètre au niveau de ladite éprouvette soit très supérieur à ce qu'il est à sa sortie du générateur 11, les moyens 13 pour rendre le faisceau parallèle sont avantageusement combinés, comme mentionné précédemment, à un expanseur 14, l'agencement étant le suivant. L'éprouvette 12 comporte une paroi d'entrée pour le faisceau laser, parallèle et coaxial à la paroi de sortie, et conformée en une seconde lentille 22. Autrement dit, lesdites première et seconde lentilles sont coaxiales et l'expanseur 14 est placé sur le trajet optique dudit faisceau laser en avant de ladite seconde lentille, en considérant le sens de propagation du faisceau. L'expanseur comporte quant à lui une troisième lentille 23, du type plan-convexe, espacée de ladite seconde lentille de façon que leurs plans focaux soient confondus. La seconde lentille 22 est aussi avantageusement du type plan-convexe et analogue à la première, les deux faces planes desdites première et seconde lentilles étant en vis-à-vis, de façon à délimiter l'espace interne de la cavité 20. Dans l'exemple illustré, toutes les lentilles sont du type plan-sphérique. L'agencement optique en amont de l'éprouvette 12 est complété par un système de filtrage comportant notamment un premier diaphragme 24, placé dans le plan focal commun desdites seconde et troi sième lentilles, un second diaphragme 25, placé en avant de la troisième lentille 23, en considérant le sens de propagation du faisceau laser, et un troisième diaphragme 26, placé entre le diaphragme 24 et l'éprouvette 12, à proximité de cette dernière. Ce système de filtrage élimine les perturbations dues aux décharges du laser. Un atténuateur 27 est placé de façon amovible sur le trajet optique du faisceau laser 19, en avant de l'éprouvette 12. Un prisme de Brewster 28 est monté de façon amovible pour que son arête puisse être positionnée au voisinage du trajet optique du faisceau laser non dévié, entre l'éprouvette 12 et le plan focal de la lentille 21, de préférence à proximité immédiate de ce dernier. Les photodiodes 15 sont disposées sensiblement suivant un axe du plan 16, cet axe passant par le point de rencontre entre le trajet optique du faisceau laser non dévié 19a (fig. 2) à la sortie de l'éprouvette 12 et le plan focal 16. Une photodiode 15a particulière est placée à ce point de rencontre. Comme mentionné précédemment, cet alignement de photodiodes pourrait être remplacé par un seul transducteur assujetti à se déplacer sensiblement suivant un axe analogue à celui qui est défini ci-dessus. Enfin, on notera qu'un polariseuranalyseur 29 peut être placé entre l'éprouvette 12 et le plan focal 16, pour l'étude de la dépolarisation partielle des rayons diffusés. En se reportant maintenant plus particulièrement aux figures 3 et 4, on voit que l'éprouvette 12 comporte un élément de boîtier 30, dans lequel est pratiqué un alésage traversant 31, destiné à contenir le milieu d'analyse. Les deux portions extrêmes opposées de l'alésage 31 sont élargies pour définir deux épaulements parallèles 32 et 33 sur lesquels prennent respectivement appui les lentilles 21 et 22, par l'intermédiaire de joints annulaires d'étanchéité 34, en polytétrafluoroéthymène. Les deux portions élargies définissant les épaulements 32 et 33 sont taraudées pour recevoir des manchons filetés 35 assurant le maintien des lentilles. Des conduits de circulation 36 pour un fluide caloporteur sont ménagés dans la masse de l'élément de boîtier 30, pour la régulation de la température du milieu d'analyse. La circulation du fluide caloporteur peut être réglée à partir d'une sonde de température plongeant dans l'alésage 31 au moyen d'un perçage 37. Deux autres per çages 38 et 39 permettent de remplir ou de vider l'éprouvette. L'utilisation de l'appareil qui vient d'être décrit est des plus simples et découle avec évidence de la description qui précède. On peut procéder d'abord à une série complète de mesures et d'expérimentations en n'introduisant dans l'éprouvette 12 que le solvant de la substance à analyser, ceci dans le but d'établir la configuration du bruit de fond de 1' installation.Ensuite, on recommence une série de mesures après avoir introduit la substance à analyser. Comme mentionné précédemment, la détermination des rapports de Rayleigh implique une mesure de l'intensité du faisceau incident non dévié. Cette mesure s'effectue sur la photodiode 15a en interposant l'atténuateur 27, le prisme de Brewster 28 étant enle vé. Ensuite, la mesure de l'intensité lumineuse des faisceaux diffusés s'effectue en l'absence de l'atténuateur 27 et en interposant le prisme de Brewster 28 pour absorber le faisceau incident non dévié. Chaque photodiode 15 reçoit une certaine intensité lumineuse qui est représentative de l'intensité lumineuse diffusée suivant un angle donné corres pondant à la position de la photodiode 15 sur le plan 16. Par ailleurs, comme on l'a indiqué précédemment, le générateur de faisceau laser 11 émet une lumière polarisée. La lumière diffusée dans la cellule 12 est partiellement dépolarisée et la répartition de dépolarisation en fonction des angles de diffusion peut donner certaines informations sur les caractéristiques des centres de diffusion à l'intérieur de la cavité 20. C'est pourquoi on peut effectuer les opérations indiquées ci-dessus en interposant la polariseur-analyseur 29 entre l'éprouvette 12 et le plan focal 16 et en recherchant le plan de polarisation pour chaque faisceau diffusé reçu par l'une des photodiodes 15. Autrement dit, pour chaque photodiode, on fait tourner le diffuseur-analyseur 29 jusqu'à ce que l'intensité lumineuse reçue par la photodiode considérée soit maximum et on repère, pour cette photodiode donnée, le plan de polarisation de la lumière diffusée captée par cette photodiode. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation de l'appareil qui vient d'étire décrit. En particulier, on a préconisé une lentille 21 du type plan-sphérique. Cependant, pour l'étude de particules filiformes, il peut être avantageux d'utiliser une lentille du type plan-cylindrique. D'autre part, au lieu de disposer des photodiodes ponctuelles suivant un axe du plan focal de la première lentille, comme mentionné précédemment, on peut donner à chaque photodiode une forme d'anneau, ces anneaux étant disposés concentriquement dans ledit plan focal. De cette façon, chaque photodiode ou transducteur optoélectrique capte un rayonnement diffusé plus intense, ce qui améliore la sensibilité du système. C'est dire que l'invention couvre tous les équivalents techniques des moyens mis en jeu si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent.

Claims: REVENDICATIONS 1. Appareil de photométrie par diffusion, notamment pour l'analyse de particules en suspension dans un milieu neutre contenu dans une éprouvette d'analyse (12), du type comportant un générateur de faisceau laser (11) agencé pour illuminer ladite éprouvette et des moyens de détection (15) de la lumière diffusée suivant au moins un angle prédéterminé, caractérisé en ce que ledit faisceau laser étant sensiblement cylindrique au moins à l'intérieur de ladite éprouvette, celle-ci comporte une paroi de sortie pour ledit faisceau laser conformée en une première lentille (21), de préférence du type plan-convexe et en ce qu'au moins un moyen de mesure optoélectrique (15) est placé sensiblement dans le plan focal (16) de ladite première lentille. 2. Appareil de photométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (13) pour rendre ledit faisceau laser cylindrique à l'intérieur de ladite éprouvette. 3. Appareil de photométrie selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour rendre ledit faisceau laser cylindrique comportent un expanseur (14) placé sur le trajet optique dudit faisceau et en ce que ladite éprouvette (12) comporte une paroi d'entrée pour ledit faisceau laser, conformée en une seconde lentille (22) coaxiale à ladite première lentille. 4. Appareil de photométrie selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit expanseur comporte une troisième lentille (23) espacée de ladite seconde lentille de façon que leurs plans focaux soient confondus. 5. Appareil de photométrie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite première lentille (21) est du type plan-sphérique. 6. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite première lentille(21)est du type plan-cylindrique. 7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, ca ractérisé par un atténuateur (27) placé de façon amovible sur le trajet optique dudit faisceau laser. 8. Appareil de photométrie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un prisme de Brewster (28) dont l'arête peut être positionnée au voisinage du trajet optique dudit faisceau laser non dévié, entre ladite éprouvette et ledit plan focal (16) de ladite première lentille (21) et, de préférence, à proximité immédiate dudit plan focal. 9. Appareil de photométrie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs transducteurs optoélectriques (15),par exemple des photodiodes, sont disposés sensiblement suivant un axe dudit plan focal de ladite première lentille (21), ledit axe passant par le point de rencontre entre le trajet optique dudit faisceau laser non dévié (19a) à la sortie de ladite éprouvette (12) et ce plan focal (16). 10. Appareil de photométrie selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un transducteur unique est assujetti à se déplacer sensiblement suivant un axe dudit plan focal (16) de ladite première lentille (21), ledit axe passant par le point de rencontre entre le trajet optique dudit faisceau laser non dévié (19a) à la sortie de ladite éprouvette (12) et ce plan focal (16). 11. Appareil de photométrie selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que ladite éprouvette (12) comporte un élément de boîtier (30) muni d'un alésage traversant (31) destiné à contenir le milieu d'analyse, dont les deux portions extrêmes opposées sont élargies pour définir deux épaulements (32, 33) parallèles, sur lesquels prennent appui lesdites première et seconde lentilles, par l'intermédiaire de joints d'étanchéité (34), par exemple en polytétrafluoréthylène, lesdites portions élargies étant taraudées pour recevoir des manchons filetés (35) assurant le maintien desdites lentilles. 12. Appareil de photométrie selon la revendication 11, caractérisé en ce que des conduits (36) de circulation d'un fluide caloporteur sont ménagés dans la masse dudit élément de boîtier (30), pour la régulation de température du milieu d'analyse. 13. Appareil selon l'une des revendications 3 à 12, caractérisé par un système de filtrage comportant notamment un premier diaphragme (24) placé dans le plan focal commun desdites seconde et trosième lentilles et, éventuellement, un second diaphragme (25) placé en aval de ladite troisième lentille, en considérant le sens de propagation dudit faisceau laser, et/ou un troisième diaphragme (26) placé entre ledit premier diaphragme et ladite éprouvette. 14. Appareil de photométrie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un polariseur-analyseur (29) est susceptible d'etre installé entre ladite éprouvette (12) et le plan focal (16) de ladite première lentille (21). 15. Appareil selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que plusieurs transducteurs optoélectriques, par exemple des photodiodes, ayant la forme d'anneaux sont disposés concentriquement dans ledit plan focal de ladite première lentille.

Inventors: WOODLEY, WILLIAM ALFRED
Applicants: AMTEC SOC
Application year: 1981
Main classification: G01N21
IPC codes: G01N21