À la fin du mois de février 2019, digne d'un mois de mai du point de vue de la météorologie, Paris et son agglomération a connu un nouvel épisode de pollution aux particules dont la taille est inférieure à 10µm (PM10). Si tout le monde ne sait pas forcément ce que sont précisément les PM10, la notion de nanoparticules est toutefois désormais entrée dans le langage du grand public, avec aussi le déploiement du dioxyde de titane (TiO2 ), en tant pigment ou de photocatalyseur, dans de nombreux produits et, aujourd'hui, les questions que pose ce type de particules sur la santé.

Sans aller jusqu'à ces échelles nanomé-triques, on n'imagine pas tous les domaines où l'on peut avoir affaire à des particules. « Peptides, molécules, protéines, cacao, ciment, cristaux de neige, sables, et la liste des particules,dont la taille va de quelques dixièmes de nanomètre à plusieurs millimètres, est loin d'être exhaustive , indique Michel Terray, Marketing and Applications Manager EMEA chez Malvern PANalytical. On parle de milieux dispersés ou de suspension en fait, comme le sucre dissout dans le café ou l'argile dans de l'eau de pluie. » Si l'on prend l'exemple du plâtre ou celui des enduits de façade, les fabricants commercialisent des produits selon leur finesse et leurs caractéristiques physiques.

« Plus on connaît les particules,mieux on peut prédire le comportement des matières et des produits finaux », ajoute Olivier Leroux, responsable des ventes Équipe Caractérisation chez Anton Paar France. Ce qui est vrai pour les produits issus de cimenteries ou de carrières l'est encore plus pour les médicaments. « Des particules aux caractéristiques différentes entraînent un temps de dissolution ou une toxicité différente au niveau du médicament. Les industriels ne peuvent pas mettre au point une molécule sans connaître sa taille, sa forme, sa masse volumique, la façon dont elle occupe le milieu – si elle “gonfle”, la molécule réagit différemment », explique Michel Terray (Malvern PANalytical).

Même si les applications sont très larges que ce soit en pharmaceutique, en biotechnologies, en céramiques, en agroalimentaire, en environnement, en cimenteries, etc., le marché de la caractérisation des particules est principalement un marché de remplacement en France.

C'est d'ailleurs pour cela aussi que la pharmaceutique représente un débouché très important pour les équipements de caractérisation des particules en laboratoire. Pour Olivier Leroux (Anton Paar France), « l'industrie de la chimie tire le marché des analyseurs de particules basés sur les technologies à diffraction laser et à diffusion dynamique de la lumière, juste devant l'industrie pharmaceutique, puis l'agroalimentaire.Une grande partie des ventes ne peut toutefois pas être classifiée, àsavoir celle des laboratoires académiques. » On peut encore citer, parmi les industries utilisatrices, celles liées aux minéraux et à la cosmétique.

Un marché en légère progression tous les ans

Si l'on s'intéresse à la taille du marché, des sociétés d'analyses comme l'américain Research & Markets et le britannique Technavio estiment que le marché mondial de l'analyse de la taille des particules progresserait respectivement de 5,2% (CAGR),passant de 314,5 millions de dollars en 2017 à 405M$ cinq ans plus tard, et de 5% (CAGR) sur la période 2017-2021, pour un montant non précisé. Parmi les principaux facteurs de croissance du marché,Research & Markets identifierait l'intensification des activités de recherche dans le domaine des nanotechnologies, les progrès technologiques dans les granulomètres, l'augmentation des investissements en R&D pharmaceutique et l'adoption de directives réglementaires plus strictes pour la qualité des produits dans toutes les industries.

« Même s'il s'agit d'un marché très large (pharmaceutique,biotechnologies,céramiques, poudres minérales, agroalimentaire, environnement,cimenteries,etc.),c'est principalement un marché de remplacement,avec une progression de quelques pourcents par an. Sauf dans les domaines de prédilection que sont la pharmaceutique et les biotechnologies, où la croissance est supérieure », constate Christelle Mégier, chef de produits Granulométrie chez Horiba Scientific France. Ce que confirment Olivier Leroux (Anton Paar France) et Michel Terray (Malvern PANalytical), ce dernier ajoutant même que « le marché connaît des hausses et des baisses,liées au lancement de projets européens (par exemple, les nanoparticules dans les années 2000).La croissance s'explique aussi par la généralisation des techniques ».

Aux côtés de l'autrichienAnton Paar, du japonais Horiba et de Malvern PANalytical (groupe britannique Spectris), qui est également distribué en France par HTDS, les autres fabricants spécialisés en analyse des particules sont entre autres Aimsizer, une filiale du chinois Dandong HMKTest Instrument, Beckman Coulter (conglomérat américain Danaher), le chinois Bettersize, Brookhaven Instruments, une entité de l'américain Nova Instruments, l'allemand Fritsch, le néozélandais Izon Science, le suisse LS Instruments, l'américain Micromeritics Instruments, Microtrac (filiale du groupe japonais Nikkiso,représentée en France par France Scientifique), l'estonien Photocor, l'allemand Retsch Technology, qui est partenaire de Horiba, le japonais Shimadzu, l'allemand Sympatec, les américainsTSI, Wyatt Technology et Xigo Nanotools.

Analyses d'images statique et dynamique

Des particules aux caractéristiques différentes entraînent un temps de dissolution ou une toxicité différente au niveau du médicament. Les industriels ne peuvent pas mettre au point une molécule sans connaître sa taille, sa forme, sa masse volumique, la façon dont elle occupe le milieu.

Les granulomètres à diffraction laser sont des appareils relativement simples à utiliser, en particulier au niveau de l'exploitation des résultats. Les laboratoires de contrôle qualité s'intéressent surtout à la taille et à la forme des particules, tandis que les équipes de R&D cherchent à déterminer également d'autres paramètres.

Pour déterminer la taille et les autres caractéristiques d'une particule, les fabricants proposent généralement trois grandes technologies d'analyse. On retrouve en effet la diffraction laser, la diffusion dynamique de la lumière et l'analyse d'images dynamique, qui sont trois méthodes différentes pour obtenir la taille de particules. Au sein de l'analyse d'images, on distingue encore deux types de technologie: l'analyse d'images statique et l'analyse d'images dynamique. « Nous proposons la gamme Morphologi qui repose sur une analyse d'images statique. Ce “microscope” permet de mesurer la longueur et la largeur des particules, ainsi que d'évaluer leur forme (circularité et convexité) », indique Michel Terray (Malvern PANalytical). Il s'agit d'une technique plus simple que les autres que nous allons aborder ensuite, mais aussi moins fréquemment utilisée, et qui est destinée aux particules dont la taille s'étend entre moins de 1µm et plus de 3µm.

Au travers d'un accord de distribution exclusive réciproque, qui existe depuis plus d'une quinzaine d'années, avec Retsch Technology, Horiba complète son offre avec les systèmes d'analyse d'images dynamique Camsizer et Camsizer XT. « Le principe de fonctionnement repose sur la chute gravitaire des particules,à partir d'une trémie,devant deux camé-ras qui enregistrent les silhouettes ou les ombres projetées des particules (méthode brevetée). Une caméra principale s'attache aux grandes particules, en ignorant les petites, l'autre “zoomant” sur les petites particules. Comme l'échantillon est en mouvement, la caractérisation peut donc se faire en 3D », explique Christelle Mégier (Horiba Scientific France).

Beckman Coul ter

Microtrac

Que ce soit pour la technologie à diffraction laser ou celle de diffusion dynamique de la lumière, les fabricants travaillent sur les préparateurs d'échantillons. Tout est dans la façon de présenter l'échantillon dans le faisceau laser, afin de ne pas modifier les particules.

Shimadzu

En capturant ainsi l'image réelle de la particule, les systèmes de Retsch Technology rendent possible le calcul de la longueur, de la largeur et du diamètre équivalents, ainsi que des paramètres de forme tels que la sphéricité, l'élongation, la convexité ou la symétrie, sur des particules ayant une taille de 30µm à 30mm, avec une dynamique de 1000: 1 (Camsizer P4), ou de 0,8µm à 8mm (Camsizer X2). « Parmi les autres avantages de l'analyse d'images dynamique, il s'agit d'une méthode de mesure directe – comme l'analyse d'image statique d'ailleurs – et affichant une excellente résolution que ce soit en présence d'une dispersion resserrée ou d'une poly-dispersion », poursuit Christelle Mégier (Horiba Scientific France).

Deux types de granulomètres optiques

Contrairement à l'analyse d'images, les deux autres technologies permettant de caractériser des particules ont en point commun d'envoyer une lumière monochromatique sur un échantillon. La diffraction laser, elle, détermine les distributions granulométriques des particules en mesurant la variation angulaire de l'intensité de lumière diffusée lorsqu'un faisceau laser traverse un échantillon de particules dispersées. La lumière est diffusée plus intensément et avec un angle plus faible (par rapport au faisceau laser) par les grandes particules que par les petites. Ce sont ces données qui permettent de calculer la taille des particules qui ont créé l'image de diffraction et ceci grâce à un algorithme s'appuyant sur la théorie de Mie. La taille des particules représente le diamètre de la sphère équivalente ayant le même volume que celui de la particule, et la théorie de Mie suppose que les propriétés optiques de l'échantillon mesuré (indice de réfraction et partie imaginaire) et du dispersant (indice de réfraction) soient connues. La techno-logie de diffraction laser, comme d'ailleurs la diffusion dynamique de la lumière, est donc une mesure indirecte dans un échantillon dispersé dans un liquide ou l'air. « Chaque analyseur à diffraction laser PSA – cette gamme est issue du rachat de l'activité du français Cilas en juin 2017 –,peut être configuré avec des modes de dispersion en solution et en voie sèche », précise Olivier Leroux (Anton Paar France). Comme la distribution de taille des poudres sèches est souvent difficile à mesurer, car les particules ont tendance à s'agglomérer, le fabricant autrichien a développé la technologie brevetée Dry Jet Dispersion (DJD), qui assure la séparation des particules agglomérées grâce notamment à un régulateur de pression ajustant rapidement le débit d'air en fonction des propriétés de l'échantillon. « Avec un granulomètre PSA, il est possible de couvrir des tailles de particules allant de plusieurs dizaines de nanomètres à quelques mil-limètres », poursuit Olivier Leroux.Parmi les autres avantages de la technologie,on peut notamment citer la bonne représentativité de l'échantillon, pour des distributions resserrées et plus étendues, la rapidité des mesures (de l'ordre de quelques minutes, voire moins) ou encore l'absence de calibration grâce à l'utilisation d'étalons standard.

Avec un granulomètre à diffraction laser, tel que le PSA d'Anton Paar, il est possible de couvrir des tailles de particules allant de plusieurs dizaines de nanomètres à quelques millimètres. Parmi les autres avantages de la technologie, citons la bonne représentativité de l'échantillon, la rapidité des mesures (de l'ordre de quelques minutes, voire moins), etc.

« Comme il s'agit d'une mesure en volume, elle est donc sensible aux agrégats, ce qui permet néanmoins de tracer la présence d'anoma-lies ou un broyage pas suffisamment performant. Les inconvénients majeurs de la diffraction laser sont la nécessité de fortement diluer l'échantillon pour que tous les détecteurs reçoivent assez de lumière, ainsi que la discrimination de deux tailles proches », fait remarquer Christelle Mégier (Horiba Scientific France). Le japonais vient d'étoffer son offre en granulomètres, en rachetant fin janvier 2019 l'américain Manta Instruments pour un montant non dévoilé. Les deux sociétés étaient déjà partenaires depuis début 2017, pour la distribution duViewSizer 3000 de l'américain.

La diffraction laser privilégiée en contrôle qualité

On retrouve bien souvent les analyseurs de particules à diffraction laser dans les laboratoires de contrôle qualité. « Ce sont d'ailleurs les cimentiers qui ont été les premiers à utiliser cette technologie, qui est au-jourd'hui déployée dans tous les domaines », rappelle Michel Terray (Malvern PANalytical). Ce que confirme Olivier Leroux (Anton Paar France) en précisant que « ce sont des appareils relativement simples à utiliser, en particulier au niveau de l'exploitation des résultats. » Les laboratoires de contrôle qualité s'intéressent surtout à la taille et à la forme des particules, tandis que les équipes de R&D, en formulation par exemple, mettent plutôt en œuvre la diffraction laser pour déterminer également la porosimétrie, les performances de surface spécifique et bien d'autres paramètres.

Contrairement à l'analyse d'images dynamique, la technologie de diffraction laser, comme d'ailleurs la diffusion dynamique de la lumière, est une mesure indirecte dans un échantillon dispersé dans un liquide ou l'air.

La technologie de diffusion dynamique de la lumière ( Dynamic Light Scattering ou DLS), parfois aussi désignée sous le nom de diffusion quasi élastique de la lumière( Quasi-Elastic Light Scattering ou QELS) ou de spectroscopie par corrélation de photons ( Photon Correlation Spectroscopy ou PCS), elle, est surtout utilisée en R&D et en recherche académique. La technologie n'est pas aussi déployée dans l'industrie, car elle est plutôt destinée aux particules submicroniques, voire à celles dont la taille est inférieure au nanomètre. Les objets que l'on trouve à ces échelles peuvent être des nanoparticules d'or, certaines protéines, des particules de latex, les thérapies géniques, etc.

Un granulomètre à DLS mesure les variations aléatoires d'intensité de la lumière diffusée par une suspension (particules dans un liquide) ou une émulsion (mélange de deux liquides). L'analyse de ces fluctuations d'intensité dans le temps permet d'obtenir la vitesse du mouvement brownien –les petites particules en suspension sont soumises à un mouvement thermique aléatoire– puis la taille des particules via la relation de Stokes-Einstein. « Il faut également connaître la température de l'échantillon et la viscosité du milieu, qui dépend fortement de la température, pour remonter à la taille des particules et sa distribution », insiste Christelle Mégier (Horiba Scientific France). Et les utilisateurs doivent garder à l'esprit que la taille déterminée par la diffusion dynamique de la lumière est la taille hydrodyna-mique, à savoir celle d'une sphère qui diffuserait la lumière de la même façon que la particule.

Diffusion dynamique et potentiel zêta

La facilité d'utilisation des granulomètres optiques revêt d'autres aspects que les préparateurs d'échantillons. Comme par exemple le logiciel, qui assure un accès encore plus facile aux mesures et aux résultats et/ou la qualité des mesures en technologie DLS, ou encore l'intégration d'intelligence artificielle (IA) dans les modèles haut de gamme Zetasizer Pro et Ultra de Malvern PANalytical.

« Les analyseurs à diffusion dynamique de la lumière, comme notre Litesizer 500, permettent de déterminer la taille des particules, mais aussi leur stabilité en solution, caractérisée par le potentiel zêta, et la masse molécu-laire via la diffusion statique de la lumière ( Static Light Scattering ou SLS). Le potentiel zêta est obtenu avec la diffusion électro-phorétique de la lumière ( Electrophoretic Light Scattering ou ELS) et permet de savoir si des particules sédimentent ou s'agrègent, donc si une formulation est stable ou non. C'est un paramètre très important pour les solutions à injecter en pharmaceutique, par exemple », explique Olivier Leroux (Anton Paar France).

Le mouvement des particules,provoqué par le champ électrique appliqué entre deux électrodes, est mesuré par diffusion d'un premier faisceau laser. La fréquence de la lumière diffusée dépend de la vitesse des particules du fait du décalage par effet Doppler, d'où l'appellation d'électrophorèse laser Doppler. Un second faisceau laser, de référence, est mélangé au faisceau diffusé pour extraire le décalage de fréquence de la lumière diffusée. La mobilité des particules est facilement déterminée à partir du champ électrique appliqué, qui est connu, ainsi que de la vitesse des particules mesurée.

Le potentiel zêta est alors calculé à partir de la mobilité en utilisant le modèle de Smoluchowski, en connaissant également la constante diélectrique du liquide, son indice de réfraction et sa viscosité. « Nous avons développé, pour le Litesizer 500, un brevet qui permet de déterminer l'indice de réfraction pour la longueur d'onde et la température exactes du milieu dans lequel se trouvent les particules,d'où une meilleure précision de mesure.Les indices de réfraction devaient jusque-là être déterminés à partir de sources externes (bibliographie ou autre appareil) », signale Olivier Leroux (Anton Paar France).

Revenons à la technologie DLS et, en particulier, à ses avantages et ses inconvénients. Du côté des avantages, en plus des mesures du potentiel zêta et de la masse molaire, les fabricants mettent en avant une analyse précise, fiable et reproductible de la taille des particules en quelques minutes, la mesure dans l'environnement de base du matériau, la possibilité de mesurer directement des préparations simples ou sans échantillon, des concentrations élevées et même des échantillons troubles, ainsi que les faibles volumes requis (un minimum de 2µl). En ce qui concerne les inconvénients, on peut signaler les restrictions aux solutions pas trop dispersées et aux faibles viscosités, ainsi qu'une sensibilité aux vibrations.

Aux questions portant sur les principales tendances technologiques dans le domaine des granulomètres optiques, Michel Terray (Malvern PANalytical) répond que « ce sont surtout des évolutions relativement lentes, avec le développement d'une nouvelle génération tous les dix ans environ. » L'une de ces évolutions porte sur la dynamique, en repoussant toujours un peu plus les limites basses (jusqu'à 1 Angström) et hautes des étendues de mesure, sans changer de lentilles, mais en prenant quelques précautions en diffraction laser. En parallèle de la dynamique, les fabricants travaillent également sur les préparateurs d'échantillons. « Tout est dans la façon de présenter l'échantillon dans le faisceau laser. Injecter des grains de couscous sous une pression de 4 bar,ou toutes autres particules fragiles,amènera forcément à la casse des grains.Ou alors,en diffusion dynamique de la lumière, il n'est pas du tout évident de disperser les particules d'un sirop ou d'un rouge à lèvres », explique MichelTerray.

Des instruments plus simples à utiliser

Quant à Horiba, le fabricant a développé des voies sèches avec dispersion verticale, ce qui évite la détérioration des échantillons friables, un potentiel zêta mesuré avec un champ électrique plus faible, pour ne pas dégrader les échantillons biologiques, et une cellule dotée de deux hublots et destinée aux produits à hautes concentrations et faibles viscosité. « Le faisceau laser pointe sur un film de liquide,et non plus une certaine épaisseur, ce qui permet de s'affranchir de la dilution des échantillons très concentrés et donc de modifier le comportement des particules.Les industriels apprécient cette simplicité améliorée », affirme Christelle Mégier (Horiba Scientific France). Anton Paar a également conçu une technologie brevetée, baptisée cmPALS, pour réaliser des mesures de potentiel zêta à des champs électriques plus faibles et en un temps significativement réduit.

La facilité d'utilisation des granulomètres optiques revêt d'autres aspects que les préparateurs d'échantillons. La grande avancée des analyseurs à diffraction laser PSA d'Anton Paar est le nouveau logiciel qui assure un accès encore plus facile aux mesures et aux résultats. Ce que confirme d'ailleurs Christelle Mégier (Horiba Scientific France): « Les évolutions logicielles permettent de garantir la qualité des mesures en technologie DLS,car les résultats diffèrent lorsque les conditions changent un peu ».

Dans la même veine, Malvern PANalytical a récemment apporté l'intelligence artificielle (IA) à ses modèles haut de gamme Zetasizer Pro et Ultra. « Chaque type de nanoparticule requiert un protocole donné.Contrairement à un traditionnel wizard (aide intégrée), le système expert, qui s'appuie sur un réseau de neurones et sur 10 000 résultats issus de notre expérience, est alors capable de critiquer le protocole, à savoir de signaler un éventuel problème et de proposer ce qu'il faudrait faire.Cela ouvre même la voie vers une communication entre appareils pour aller plus loin dans les analyses, construire des modèles mathématiques », prévoit Michel Terray (Malvern PANalytical).

Si, pour Olivier Leroux (Anton Paar France), « la tendance est à des instruments plus compacts pour les applications dans les ateliers », les utilisateurs recherchent par ailleurs des systèmes pouvant caractériser la plus grande variété possible de particules avec un seul appareil, grâce à différents modules spécifiques. « Mais tout n'est pas possible avec un seul granulomètre. C'est pour cela que nous proposons des technologies complémentaires,chacune avec leurs avantages et leurs limitations »,conclut Christelle Mégier (Horiba Scientific France).