Turbidité

Guide de turbidité

La turbidité dans les liquides est causée par de petites particules en suspension (non dissoutes) ayant un indice de réfraction différent de celui du milieu environnant. Cette interférence entraîne la réflexion, l'absorption et la diffusion, c'est-à-dire un changement de direction de la lumière irradiée. Avec l'augmentation des concentrations de particules, l'intensité de la lumière diffusée augmente et atteint un maximum, qui est influencé par la longueur d'onde de la lumière, la taille et la forme des particules, l'indice de réfraction et la couleur de la solution. Les deux facteurs les plus importants qui influencent l'intensité et la distribution spatiale de la lumière diffusée sont la longueur d'onde de la lumière et la taille des particules. Dans la plupart des applications biologiques, la taille des particules est comprise entre un nanomètre élevé (100 - 500 nm, colloïdes) et un micromètre moyen (0,5 - 5 cellules µm). Les longueurs d'onde utilisées dans les mesures de turbidité se situent généralement dans le proche infrarouge (NIR 700-1000 nm) pour éliminer l'influence de toute substance colorée. Etant donné que la répartition angulaire de l'intensité de la lumière diffusée autour d'une particule n'est pas symétrique[1] (Fig. 1.), l'angle entre le faisceau lumineux d'émission et le détecteur est d'une importance critique pour la mesure de la turbidité, surtout pour les particules plus grandes. Outre la mesure de la diffusion à des angles définis, l'absorption de la lumière peut également être utilisée pour mesurer la turbidité. A l'exception de la rétrodiffusion, les mesures de diffusion sont idéales pour surveiller des valeurs de turbidité très faibles, tandis que l'approche par absorption ou rétrodiffusion peut être utilisée pour mesurer des valeurs de turbidité extrêmement élevées (Fig. 2).

Mesure de la dispersion - Dépendance angulaire

Les mesures de turbidité utilisant un angle de détection de 90° (diffusion latérale) sont les plus sensibles aux particules de l'ordre de 0,1-0,5 µm[2], par exemple les colloïdes, c'est pourquoi cette approche est décrite et couramment utilisée pour mesurer la qualité de la bière et de l'eau potable. Pour les mesures de particules dans la plage de 0,5 à 5 µm Cependant, des angles plus bas, mesurant la diffusion avant intensive causée par des particules plus grosses, sont plus appropriés. Théoriquement, le rapport signal sur bruit de fond le plus élevé ou la sensibilité la plus élevée sont obtenus en mesurant aussi près que possible de 0°. En raison des limitations techniques imposées par la nécessité de séparer la diffusion du signal de transmission du faisceau d'excitation, l'angle le plus bas pouvant être réalisé est de 11°. Dans les angles inférieurs, l'influence du signal de transmission avec sa pente négative causée par l'augmentation de l'absorption, devient trop grande.

La figure 3, qui représente des mesures à l'aide de la formazine, un étalon de turbidité commun dont la distribution granulométrique est comprise entre 1 et 2 µm, montre clairement que la sensibilité à 11° est plus élevée que celle à des angles plus élevés, dont 90°.

Dépendance de la taille des particules par rapport au signal de diffusion à différents angles

Les mesures avec des billes de polystyrène de tailles définies montrent que la mesure à 11° est plus sensible que les mesures à 90°. Cet effet devient encore plus évident lorsque l'on mesure des particules relativement grosses dans la plage de taille des cellules (Fig. 4). Pour la mesure de colloïdes d'une taille inférieure à 0,2 ?m, la mesure à 11° ne présente aucun avantage par rapport à la mesure à 90°. Cependant, lorsqu'il s'agit de détecter des particules de grande taille, une mesure à 11° est beaucoup plus sensible.

Mesures de turbidité basées sur la diffusion et l'absorption

Alors que la mesure de la diffusion à 11° est très sensible aux faibles valeurs de turbidité, le signal est saturé et même inversé à des valeurs de turbidité moyennes en raison de multiples événements de diffusion. Le signal d'absorption à 0°, qui est relativement insensible aux faibles valeurs de turbidité, présente cependant une réponse linéaire jusqu'à des concentrations élevées (Fig. 5). La connexion des deux approches dans un seul capteur permet d'obtenir une combinaison de sensibilité élevée et une large plage dynamique.

Mesure de la turbidité par absorption - Longueur de trajet et optique

L'approche techniquement plus simple de l'absorption à 0° permet des mesures à des niveaux de turbidité moyens à élevés, bien au-delà de la plage de mesure des signaux de diffusion. Contrairement à une mesure de dispersion, la longueur du trajet optique peut être optimisée en fonction de la plage de turbidité attendue ou souhaitée à l'aide de différents corps de capteur, y compris de très courtes longueurs de trajet si des valeurs de turbidité élevées doivent être surveillées. Lors de mesures d'absorption où l'intensité de la lumière qui atteint le détecteur doit diminuer avec l'augmentation de la turbidité, les événements de diffusion à l'extérieur de l'optique du détecteur entraînent un effet négatif (Fig 6). La lumière diffusée détectée par l'optique d'absorption affecte la linéarité du signal d'absorption. Selon l'application, la configuration optique de la mesure d'absorption peut être réglée soit sur une plage de mesure maximale à l'aide d'une optique standard, soit sur une linéarité et une sensibilité maximales à l'aide d'une optique de performance focalisée (Fig. 7). La figure 8 montre l'avantage de la sensibilité et de la linéarité de la performance par rapport à l'optique standard. L'un des avantages secondaires de l'optique de performance est la réduction de la variabilité entre les capteurs et donc une meilleure comparabilité nécessaire pour les mesures redondantes.

Fig. 1 :Répartition angulaire de l'intensité de la lumière diffusée causée par

• A) particules plus grosses
• B) colloïdes et
• C) un mélange des deux

Fig. 2 :Signal obtenu à partir de différents angles de mesure à l'aide de formazine. À l'exception du signal de rétrodiffusion ayant son maximum à des valeurs de turbidité plus élevées, tous les signaux sont normalisés.

Fig. 3 :Diffuser le signal sous trois angles de détection différents en utilisant la formazine.

Fig. 4 :Signal de diffusion de 11° et 90° à l'aide de billes de polystyrène de deux tailles différentes.

Fig. 5 :Réponse du signal à partir d'une diffusion de 11° et d'une absorption de 0°

Fig. 6 :Effet de la diffusion dans les optiques standard

Fig. 8 :Mesure de la concentration de cellules de levure avec deux optiques différentes.

Fig. 7 :Réduction de l'effet de dispersion dans l'optique focalisée