L’action des produits pharmaceutiques, l’efficacité des catalyseurs et l’efficacité et la précision des encres d’impression dépendent de la taille des nanoparticules qu’elles contiennent. Il n’existe cependant pas encore de méthode permettant de surveiller la distribution granulométrique lors des processus de broyage.
Dans le cadre du projet PAT4Nano, un consortium d’industriels et de chercheurs a passé les quatre dernières années à rechercher des approches pratiques pour de telles mesures en ligne. L’Institut Fraunhofer de technologie laser ILT d’Aix-la-Chapelle a développé une méthode laser prometteuse qui pourrait bientôt rendre ces mesures possibles.
Les particules de l’échelle nanométrique (nm) font toute la différence dans l’impression à jet d’encre, les catalyseurs automobiles et la production pharmaceutique. « Leur distribution de taille a une influence majeure sur les propriétés des produits dans de nombreuses applications », explique le Dr Christoph Janzen, chercheur dans le domaine de la technologie médicale laser et de la bioanalyse au Fraunhofer ILT.
Par exemple, le degré de broyage des particules dans les encres d’impression influence la fiabilité, les coûts et l’effet de couleur dans l’impression numérique. Les particules dites surdimensionnées, c’est-à-dire trop grosses, peuvent obstruer les buses à jet d’encre. Si elles sont broyées trop finement, l’énergie et le temps nécessaires à la production augmentent et la qualité d’impression peut également en souffrir.
La situation est similaire avec les nanoparticules pour les revêtements de catalyseurs. L’effet catalytique et la consommation de matières premières des métaux précieux platine et iridium dépendent tous deux de la distribution granulométrique des matériaux porteurs aluminium et oxyde de zirconium : la taille optimale des particules permet d’obtenir une efficacité catalytique maximale avec un apport minimal de métaux précieux.
La distribution granulométrique est également importante dans l’industrie pharmaceutique, car la taille des particules de principe actif détermine la vitesse à laquelle elles se dissolvent dans l’organisme et la durée de leur effet. Certains analgésiques ont un effet similaire à celui d’un médicament lorsqu’ils sont finement broyés. La précision est donc de mise lors de la production.
« Si la granulométrie prescrite n’est pas respectée, il y a un risque que le lot entier doive être jeté, ce qui pourrait entraîner des pertes financières importantes pour l’entreprise », explique Janzen. Cependant, malgré l’influence considérable des nanoparticules sur les propriétés de nombreux produits, il est difficile de les mesurer avec les méthodes de mesure et de microscopie actuellement disponibles.
Cela est particulièrement vrai lorsque la mesure doit être effectuée en ligne pendant le processus de rectification. Comme il n’existe pas de solution pratique pour cela, les utilisateurs se contentent jusqu’à présent de mesures d’échantillons aléatoires en cours de processus.
Rendre possible les mesures en ligne des nanoparticules
Afin de combler cette lacune, un consortium d’entreprises industrielles, de fabricants d’équipements de mesure et d’analyse et de partenaires de recherche a recherché de nouvelles approches pour la mesure des particules en ligne.
Dans le cadre du projet PAT4Nano (Process Analytical Technology Tools for Realtime Physical and Chemical Characterization of Nanosuspensions), ils ont passé quatre ans à faire progresser diverses approches analytiques pour mesurer et analyser les nanoparticules pertinentes pour l’industrie.
Outre les sociétés belges Agfa-Gevaert et Janssen Pharmaceutica, l’Université nationale d’Irlande à Galway et l’Université irlandaise de Limerick, Johnson Matthey et Malvern Panalytical du Royaume-Uni et InProcess-LSP et TNO des Pays-Bas, Fraunhofer ILT faisait également partie du consortium.
Une équipe dirigée par Janzen a développé une nouvelle technologie laser pour l’analyse des particules, qu’elle a utilisée pour étudier les distributions granulométriques d’échantillons provenant d’applications dans la production pharmaceutique, d’encre d’impression et de catalyseurs au cours du projet PAT4Nano.
La nouvelle méthode permet de mesurer la taille et la distribution granulométrique des particules (PSD) pendant le processus de broyage en cours. Cette tâche est difficile pour les particules de moins de 100 nm, car les méthodes basées sur l’imagerie microscopique atteignent ici leurs limites. L’équipe a donc dû puiser dans ses connaissances photoniques pour développer l’analyse en ligne basée sur le laser.
Détours mathématiques vers une mesure précise des particules en ligne
« Nous avons développé notre méthode sur la base de la diffusion dynamique de la lumière », explique Janzen. Ce principe de mesure repose sur le mouvement moléculaire de Braun : dans le milieu liquide, les nanoparticules en suspension sont excitées par les collisions avec les molécules du solvant et sont en mouvement constant. Plus les particules sont petites, plus le mouvement est rapide. C’est précisément là qu’intervient le procédé de mesure laser.
« Nous focalisons un laser sur la solution et analysons la lumière diffusée ou ses fluctuations temporaires », explique Janzen. La taille des particules peut être déduite de ces fluctuations à l’aide de méthodes mathématiques.
Deux méthodes mathématiques sont couramment utilisées : l’analyse de Fourier permet d’obtenir la taille réelle des particules grâce à la distribution d’intensité dans des plages de fréquences définies. L’analyse de corrélation permet également de tirer des conclusions sur la taille des particules dans le matériau broyé en fonction de la fréquence de mouvement. Si d’autres paramètres tels que la viscosité ou la température du liquide sont pris en compte, le procédé peut fournir une image très précise de la taille des particules et de leur distribution.
Selon Janzen, une valeur absolue n’est pas toujours nécessaire. Souvent, les utilisateurs se contentent de suivre l’évolution du « rayon hydrodynamique » des particules au cours du processus de broyage. « En comparant cela à un cycle parfait, ils peuvent facilement suivre l’évolution de leur processus et savoir quand la taille de particule souhaitée est atteinte », explique-t-il.
Outre les approches mathématiques, le procédé de mesure laser requiert également une ingénierie imaginative. En effet, la mesure en ligne ne peut pas être effectuée dans le broyeur à boulets, car la diffusion dynamique de la lumière est basée sur l’observation d’une diffusion non perturbée. Cependant, il n’est pas possible de garantir que les particules diffusent librement dans le milieu liquide d’un broyeur à boulets en fonctionnement, d’autant plus que le matériau broyé y est mélangé en permanence. L’échantillonnage par cuvette, en revanche, ne répond pas à l’exigence d’une surveillance continue du processus.
Pour résoudre ce dilemme, l’équipe Fraunhofer a analysé systématiquement le processus de broyage. Les chercheurs ont alors eu une idée brillante : « Dans les broyeurs à boulets classiques, le liquide est constamment pompé », explique Janzen.
L’équipe a utilisé la méthode de mesure optique dans ce cycle de liquide. Pour garantir la précision des mesures malgré les liquides en mouvement, les chercheurs de l’ILT ont construit une sonde en ligne. Un rotor rotatif déplace le liquide échantillon devant la sonde optique. Lorsqu’elle s’arrête, un espace fermé se forme dans l’une de ses chambres, découplé de tout flux. Les particules peuvent y diffuser librement et une mesure sans perturbation peut être effectuée.
Pour les analyser, l’équipe dirige le laser à travers la sonde vers la chambre de mesure temporaire. Après la mesure, l’hélice se remet en mouvement, échange le liquide de l’échantillon analysé et referme la chambre de mesure contre l’extérieur lorsqu’elle s’arrête.
Une nouvelle étape vers une méthode de mesure stable pour les nanoparticules utilisées dans l’industrie
Selon Janzen, la lumière est introduite dans la solution via une fibre optique, le point focal étant variable. Un deuxième système optique capte la lumière diffusée et la guide également via la fibre vers le détecteur, qui enregistre les signaux. « L’avantage de cette méthode est que les mesures sont effectuées dans les mêmes conditions que celles qui règnent lors du processus de broyage », explique-t-il.
Un problème qui n’a pas encore été entièrement résolu est que la concentration en particules dans le liquide est élevée et qu’il n’est pas possible de la diluer de l’extérieur. Cela augmente la probabilité de diffusion multiple, ce qui peut fausser les résultats de mesure.
Pour étendre la plage de concentration, les chercheurs ont expérimenté une toute nouvelle approche : la corrélation croisée 3D. Pour cela, ils utilisent une sonde d’immersion modifiée, qui peut effectuer deux mesures DLS au même endroit et comparer les intensités de signal fluctuantes entre elles grâce à la corrélation croisée. De cette manière, la plage de concentration peut être étendue car la diffusion multiple interférente peut être filtrée lors de la comparaison des signaux.
Pour garantir que les deux mesures capturent exactement les mêmes particules, l’équipe a conçu un support optique spécial et l’a fabriqué par gravure laser sélective (SLE). L’objectif est d’obtenir une superposition de mise au point de haute précision en dirigeant la lumière de deux lasers d’excitation dans deux trajets de faisceau à travers une seule et même lentille asphérique sur exactement les mêmes particules et en captant la lumière diffusée via deux autres trajets de faisceau.
Grâce à une miniaturisation poussée, ils ont pu intégrer le système optique dans la sonde d’immersion. Cependant, l’approche s’est avérée très complexe au cours du projet.
« Le support fabriqué par SLE n’est pas encore assez robuste, mais les résultats obtenus sont prometteurs », déclare Janzen. Cela est également dû au fait que deux longueurs d’onde différentes (785 nm et 795 nm) ont été utilisées pour l’excitation afin de séparer les signaux lumineux diffusés des deux expériences DLS.
La qualité de détection de l’approche par corrélation croisée reste inférieure à celle de l’autocorrélation. Pour compenser ses inconvénients en cas de concentrations élevées de particules, les partenaires ont positionné le point focal à proximité de la vitre de la sonde : plus la profondeur de pénétration du laser dans le liquide est faible, plus la probabilité d’une diffusion multiple interférente est faible.
Janzen conclut : « Dans le cadre du projet PAT4Nano, nous avons réussi à développer une méthode de mesure en ligne en testant systématiquement différentes approches ; elle nous permet d’effectuer des analyses PSD de particules d’environ 100 nanomètres directement dans le processus de broyage en cours. »
L’étape suivante consiste désormais à amener le processus à la production en série avec des partenaires de diverses industries utilisatrices et fabricants d’appareils de mesure.
Fourni par Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT