Fractionnement et caractérisation de nanoparticules par une méthode hydrodynamique : modélisation et application aux produits de consommation

Due to the increasing use of nanoparticles, a better understanding of their properties, their environmental fate, and their impact on the human health becomes mandatory. To this end, reliable methods for the characterization of nanomaterials’ properties need to be developed. Among the different properties of nanoparticles, the size is particularly important as it influences several other properties (e.g. the reactivity, the toxicity or their behavior in the environment). The asymmetrical flow field flow (AF4) is a technique that fractionates the different populations inside the sample as a function of their hydrodynamic diameter. In the 1960s, a model (thereafter called classical model) relying the retention time of a nanoparticle with its hydrodynamic diameter has been developed. However, the model validity is based on work hypothesizes which are not always respected depending on the experimental conditions.The work of this PhD thesis has consisted firstly in the study of the mechanisms governing the nanoparticles retention inside the AF4 channel. Notably it has been shown that interactions between the nanoparticles and the accumulation wall of the AF4 biased the results predicted by the classical model. Another model (thereafter called p-w model), which takes electrostatic and Van de Walls interactions into account, has been developed. Tests realized with particle standards for size showed that the p-w model give results with a better trueness than the classical model and that it can be applied for a larger range of experimental conditions. A validation of this model has been conducted and an uncertainty budget has been developed by following the Monte Carlo method. The metrological traceability of the measurement results has also been demonstrated.L’augmentation de l’utilisation des nanoparticules au fil des années rend nécessaire une meilleure compréhension de leurs propriétés, leur devenir dans l’environnement ainsi que leur impact sur la santé. A cette fin, de meilleures techniques de caractérisation nécessitent d’être développées. Parmi les différentes propriétés des nanoparticules, la taille est particulièrement importante car elle influence de nombreuses propriétés (comme, par exemple : la réactivité, la toxicité ou leur capacité de migration dans l’environnement). Parmi les nombreuses techniques de caractérisation en taille existantes, le fractionnement par couplage flux force asymétrique (AF4) est une technique qui permet de séparer les différentes populations de nanoparticules présentes dans l’échantillon en fonction de leur diamètre hydrodynamique avant de les envoyer à un détecteur en taille. Ce fractionnement permet de simplifier le travail du détecteur.Dans les années 1960, un modèle (appelé dans la thèse modèle classique) reliant le temps de rétention des nanoparticules au sein de l’AF4 à leur diamètre hydrodynamique a été développé. Cependant la validité du modèle repose sur des hypothèses de travail qui ne sont pas toujours respectées dans certaines conditions expérimentales.Ces travaux ont consisté, dans un premier temps, à étudier les mécanismes gouvernant la rétention au sein de l’AF4. Il a été montré que des interactions entre les nanoparticules et la paroi du canal biaisent les résultats prédits par le modèle classique. Un autre modèle (appelé dans la thèse modèle p-w) prenant en compte les interactions électrostatiques et de van der Waals a été étudié. Le modèle p-w s’est montré plus robuste que le modèle classique. Une validation de ce modèle a été conduite et un bilan d’incertitude a été développé en utilisant la méthode de Monte- Carlo. La traçabilité métrologique des résultats de mesure a également été démontrée.Ces travaux ont consisté, dans un premier temps, à étudier les mécanismes gouvernant la rétention au sein de l’AF4. Il a été montré que des interactions entre les nanoparticules et la paroi du canal biaisent les résultats prédits par le modèle classique. Un autre modèle (appelé au cours de la thèse modèle p-w) prenant en compte les interactions électrostatiques et de van der Waal a été étudié. Le modèle p-w s’est montré plus robuste que le modèle classique. Une validation de ce modèle a été conduite et un bilan d’incertitude a été développé en utilisant la méthode de Monte- Carlo. La traçabilité métrologique des résultats de mesure a été démontrée