Diffusion dynamique de la lumière

La diffusion dynamique de la lumière est une technique d'analyse spectroscopique non destructive permettant d'accéder à la taille de particules en suspension dans un liquide ou de chaînes polymère en solution de 1 à 500 nm de diamètre à peu près.



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Spectroscopie - Mesure physique - Métrologie

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L'intensité diffusée par des grosses particules (moins mobiles) fluctue moins vite au cours du temps que pour des petites particules

La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une technique d'analyse spectroscopique non destructive permettant d'accéder à la taille de particules en suspension dans un liquide ou de chaînes polymère en solution de 1 à 500 nm[réf.  nécessaire] de diamètre à peu près.

Principe

Quand la lumière d'un laser atteint des petites particules dans une microcuvette, la lumière diffuse dans l'ensemble des direction (différence d'indice). Ce phénomène est essentiellement de la diffusion de Rayleigh, diffusion élastique où les particules sont plus petites que la longueur d'onde reconnue. On peut mesurer l'intensité de la lumière diffusée par les particules à un angle reconnu (90° typiquement) au cours du temps. Cette dépendance en temps vient du fait que les particules dans un liquide sont soumises au mouvement Brownien à cause de l'agitation thermique. La distance entre diffuseurs (concentration locale) change ainsi sans cesse. Il en résulte des interférences constructives ou destructives et l'intensité totale mesurée contient des informations sur la vitesse de mouvement des particules.

Traitement mathématique

Un traitement mathématique est mise en œuvre. On définit la fonction d'autocorrélation qui sert à comparer le signal mesuré à lui même, mais avec un petit décalage temporaire. Une modélisation graphique permet d'extraire un temps caractéristique de décroissance de cette fonction. Si l'autocorrélation décroit rapidement (tau faible), c'est que le signal mesuré fluctue rapidement. C'est le cas quand les particules se déplacent assez vite, par conséquent qu'elles sont de petites tailles (plus mobiles). L'inverse de ce temps caractéristique (dit temps de relaxation) est lié au cœfficient de diffusion des particules par la relation suivante : \frac{1}{\tau}=Dqˆ2 avec D le cœfficient de diffusion, q le vecteur d'onde et τ le temps de relaxation. L'équation de stockes Einstein permet alors d'obtenir le rayon hydrodynamique des particules : R_H=\frac{k_BT}{6 \pi \eta_sD}kB sert à désigner la constante de Boltzmann et ηs la viscosité du fluide.

Résultats obtenus

Le rayon hydrodynamique est le rayon d'une sphère théorique qui aurait le même cœfficient de diffusion que la particule reconnue. Dans le cas d'une pelote polymère, ce rayon correspond au rayon d'une sphère dans la quelle le solvant ne pénètre pas. Pour une particule chargée la sphère reconnue contient la particule entourée de sa couche diffuse, ce qui entraine une surestimation comparé à une mesure de taille par microscopie.
En réalité il existe une dispersité des tailles rencontrées et différentes méthodes sont mises en œuvre pour extraire l'intensité diffusée des différentes populations. Les différences sont particulièrement marquées en intensité et la présence d'impuretés ou d'agrégats sont particulièrement visibles même en particulièrement petit nombre.
On obtient par conséquent un rayon hydrodynamique, un indice de polydispersité et des indices sur l'allure du profil de distribution des tailles de particules de l'échantillon, en nombre, volume ou intensité.

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