Le plateau de caractérisation des Propriétés colloïdales rassemble les équipements et les compétences dédiés à la détermination des densités de charges et des tailles de particules en suspension. Ces données sont indispensables à l’étude des effets de contaminants (nanoparticules, microplastiques, métaux, pesticides, molécules médicamenteuses) sur les particules biotiques ou abiotiques de l’environnement ou analogues (micro-organismes, cellules animales ou végétales, constituants minéraux des sols, matière organique) et à la compréhension des mécanismes d’interactions électrostatiques aux interfaces qui interviennent dans de nombreux processus environnementaux : stabilité, agrégation, (bio)adhésion, (bio)disponibilité, flottation,… Nous disposons d’un large panel d’équipements permettant l’analyse d’échantillons particulaires sur des gammes de tailles allant du nanomètre au millimètre.

Responsable : Céline Caillet (IR, Nancy-Charmois)

 

Principe

L’analyse de la distribution en tailles de particules en suspension par Diffusion Dynamique de la Lumière repose sur la mesure, à un angle donné, de l’intensité de la lumière diffusée par les particules dispersées dans un liquide, soumises au seul mouvement brownien. Plus la particule est grosse, plus son mouvement brownien est lent et, par conséquent, plus les fluctuations de l’intensité sont lentes. L’instrument comporte un corrélateur digital qui mesure le degré de similarité du signal d'intensité sur une période de temps donnée et fournit une fonction de corrélation en fonction du temps. L’analyse par les algorithmes du logiciel de la fonction de corrélation rendant compte du degré de similarité du signal d'intensité en fonction du temps fournit la distribution des coefficients de diffusion des particules, ensuite convertie en distribution de tailles à l’aide de l’équation de Stockes-Einstein. La taille de la particule obtenue est le diamètre de la sphère qui diffuse à la même vitesse que celle de la particule que l’on mesure.

Application

Détermination des distributions en taille de nanoparticules et particules colloïdales en suspension liquide.
La distribution fondamentale de taille obtenue par DLS est une distribution en intensité qui peut être ensuite convertie en une distribution en volume grâce à la théorie de Mie (nécessité de connaître l’indice de réfraction des particules), puis en une distribution en nombre (en faisant l’hypothèse que les particules sont sphériques).

Equipements

Le laboratoire dispose de deux appareils, Zetasizer Pro et Zetasiser NanoZS de marque Malvern Panalytical, équipés d’un laser rouge qui, en plus de la mesure de tailles de particules par DLS, permettent l’analyse de la mobilité électrophorétique de particules en suspension par microélectrophorèse.
Ils fonctionnent par défaut en rétrodiffusion, par observation de la lumière diffusée à un angle de 173°, afin de limiter les risques de diffusion multiple et de favoriser le signal des petites particules. Le Zetasizer Pro, plus récent, peut également utiliser le détecteur situé à un angle de 17° (habituellement dédié à la mesure de mobilité électrophorétique) pour mesurer la distribution en taille de l’échantillon, afin de favoriser les gammes de taille plus grosses.
Gamme de taille de particules : 0,3 nm à 6 µm
Prise d’essai : 1 mL

 

Principe

L’analyse granulométrique par diffraction laser utilise la propriété de l’interaction lumière - particules selon laquelle l’angle de diffraction de la lumière est d'autant plus élevé que la particule est petite. Contrairement à la DLS, la taille plus importante des particules analysées implique leur maintien en suspension dans la cuve par agitation mécanique avant leur acheminement en flux continu dans la cellule de mesure à l’aide d’une pompe. Les particules y sont illuminées par un faisceau laser rouge (puis, avec notre appareil, par une led bleue qui favorise à une longueur d'onde plus courte la détection des particules infra-microniques). L'intensité angulaire de la lumière diffractée est mesurée par une série de détecteurs à photodiodes placés au point focal de la lentille, ainsi que sur les côtés et aux grands angles en rétrodiffusion. La distribution en taille des particules est ensuite dérivée de la distribution angulaire des intensités à l'aide :
•    soit de la théorie de Fraunhofer applicable sans la connaissance des paramètres optiques, dans le cas des particules opaques de tailles supérieures à la longueur d’onde du faisceau. Elle ne tient compte que de la diffraction.
•    Soit de la théorie de Mie qui s’applique aux particules de taille voisine de la longueur d’onde du faisceau et dont les indices de réfraction complexes sont connus. Elle fait l’hypothèse de particules sphériques, isotropes et homogènes et intègre la diffraction, l’absorption et la réfraction.

Application

Détermination des distributions en taille de particules sur une large gamme de tailles en une seule mesure (distributions différentielle et cumulée).
La taille de particule est exprimée comme étant le diamètre de la sphère de diffraction projetée équivalente. La lumière totale diffractée est normalisée par rapport à la fraction volumique de solides. Ainsi, la distribution en taille obtenue par diffraction laser rend compte de la distribution en volume de particules

Equipements

Granulomètre à diffraction laser Mastersizer 3000 de marque Malvern Panalytical (laser He-Ne rouge 633nm + led bleue 470nm), équipé d’une cellule de mesure en voie liquide et d’un réseau de 64 détecteurs de 0,015° à 144° qui permet de couvrir la gamme de taille de 10 nm à 2100 µm en un seul trajet optique.
Cuves de dispersion :
•    Unité de dispersion liquide Hydro LV (cuve PEEK de 200-600 mL, agitateur à pales, pompe centrifuge, ultrasons en ligne)
•    Unité de dispersion petit volume Hydro 2000SM (cuve 40-130 mL, sans ultrason) - limite la gamme de mesure à 600 µm.

 

Principe

La technique d’analyse des propriétés électrocinétiques par micro-électrophorèse s’appuie sur la mise en mouvement de particules colloïdales ou de nanoparticules chargées en suspension dans un électrolyte statique par application d’un champ électrique uniforme dans un capillaire. Les particules se déplacent alors vers l’une ou l’autre des électrodes selon le signe de leur charge et la mesure de leur vitesse de déplacement apportée au champ électrique appliqué, appelée mobilité électrophorétique, rend compte de leur charge dans un environnement donné (charge à un pH et une force ionique donnés).
•    Pour les particules dures, non perméables au flux d’électrolyte, la valeur du potentiel électrocinétique, appelé potentiel zêta est ensuite obtenue à l’aide des équations de Henry ou de Helmholtz-Smoluchowski.
•    Dans le cas de particules molles et perméables au flux (ces des particules biologiques, organiques), les modèles établis par H. Ohshima ou J.F.L. Duval (LIEC) s'appliquent alors.

Applications

Détermination du PIE (Point IsoElectrique), du PZM (Point of Zero Mobility) ou du PZN (Point de Zêta Nul).
Détermination de la densité de charge surfacique ou volumique des particules, 0
Détermination de la perméabilité électrohydrodynamique, 1/

Equipements

Le laboratoire dispose de deux types d’appareils de mesure électrocinétique par micro-électrophorèse qui diffèrent par la gamme de taille autorisée et le principe de détection du déplacement des particules sous champ.

•    ZetaPhoremeter IV (observation dans un plan horizontal) et Zeta Compact (observation des trajectoires dans un plan vertical) de marque CAD Instruments, équipés d’une cellule de mesure à électrodes de palladium, d’un laser rouge, d’un microscope (objectif 10x) et d’une caméra CCD.
Les mobilités électrophorétiques sont obtenues par observation à l’aide d’un microscope de la diffusion à 90° des particules éclairées par un laser et enregistrement de leurs déplacements sous champ électrique via une caméra CCD, après analyse d’image.
Gamme de taille de particules : 100 nm à 30 µm
Prise d’essai : 20 mL

•    Zetasizer Pro et Zetasiser NanoZS de marque Malvern Panalytical, équipés d’un laser rouge.
Dédiés à l’analyse de nanoparticules ou de particules colloïdales, les mobilités électrophorétiques y sont mesurées par Vélocimétrie Laser à Effet Doppler, associée à l’Analyse de Phase de la Lumière Diffusée (APLD), en combinant la lumière diffusée à 17° par les particules éclairées par un laser à un faisceau de référence. La vitesse de fluctuation du signal d’intensité résultant est proportionnelle à la vitesse des particules.
Gamme de taille de particules : 1 nm à 10 µm
Prise d’essai : 1 mL

 

Principe

Le titrage potentiométrique appliqué à des suspensions de particules dispersées dans un électrolyte permet de déterminer la densité de charge liée aux sites acido-basiques des particules. L’évolution du pH de la suspension est suivie en fonction de la quantité de titrants ajoutée (acide ou base) dans le réacteur en continu, à température et sous atmosphère contrôlées (flux de N2 ou Ar pour empêcher la carbonatation des solutions) et l’analyse fournit une courbe pH versus "volume de titrant ajouté" à forte densité de points.
Le calcul de la densité de charge de surface des particules nécessite de mesurer un blanc sur l'électrolyte seul à soustraire des données de l’échantillon. La charge de surface en fonction du pH s’exprime en µmole/g ou µéq/g et, si la surface spécifique des particules est connue, en µC/m2.

Applications

Utilisation du proton (ou l’ion hydroxyle) comme sonde de la charge et de l’hétérogénéité superficielle à l’interface solide/électrolyte.
Détermination des acidités ou des constantes de dissociation (pK) des groupements de surface.
Détermination du Point de Charge Nulle (PCN ou PZC : Point of Zero Charge) qui correspond au point d'intersection des courbes de charge obtenues à différentes forces ioniques s'il coïncide au pH pour lequel la charge s'annule.

Equipement

Station de titrage Metrohm TITRANDO 809 équipée de 3 burettes Dosino 800 (unités de dosage 807 : 2 x 10mL et 1 x 2mL) et de réacteurs thermostatés avec bol en téflon (2 tailles : 50mL ou 10mL).
Logiciel de pilotage TIAMO
Le titrateur dispose notamment des modes de titrage dynamique, monotone et à point final.