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Potentiomètre à lame vibrante pour la mesure et
l’enregistrement des potentiels de surface de couches
monomoléculaires
Agnès Fritsch
To cite this version:
183 A.
POTENTIOMÈTRE
A LAME VIBRANTE POUR LA MESURE ET L’ENREGISTREMENTDES POTENTIELS DE SURFACE DE COUCHES MONOMOLÉCULAIRES
Par A.
FRITSCH,
Département de Biologie, Commissariat à
l’Énergie
Atomique, Saclay.Résumé. 2014 Nous décrivons un
appareil basé sur le principe du condensateur à lame vibrante,
permettant d’enregistrer les potentiels de surface de couches monomoléculaires à l’interface air-eau. Nous insistons plus spécialement sur les précautions de constructions à respecter pour obtenir un
fonctionnement correct. Ces précautions découlent : 1° de la très faible valeur de la tension appli-quée à l’entrée du préamplificateur ; 2° de la grande impédance d’entrée de celui-ci ; 3° des
dimen-sions relativement importantes de la tête de mesure ; 4° de l’intérêt de réaliser une grande stabilité en fonction du temps.
Abstract. 2014 An
apparatus is described, based on the principle of the vibrating reed condenser, to record surface-potentials of monomolecular
layers
at the air-water interface. Precautions rela-tive to the construction of the apparatus are stressed, in order to obtain reproducible and accurate results. These precautions result from : 1) The very low input voltage at thepreamplifier
2) The very high input impedance of the preamplifier. 3) The
relatively
large size of the vibratingdevice. 4) The need to maintain high stability in time.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM
PHYSIQUE APPLIQUÉE
SUPPLÉMENT AU N~ 11. TOME 22, NOVEMBRE 1961, PAGE
’
La mesure des
potentiels
d’interface de couches monomoléculaires par la méthode de la lame vibrante(N.
K.Adam, 1941)
estaujourd’hui
depratique
courante ;
plusieurs
auteurs ont décrit despotentiomètres
de cetype (W.
A. Yamins and H. G.Zisman, 1933 ;
J. T.Davies, 1951,;
C. D.Kinloch and A. I.
McMullen,
1959).
Dans lepré-sent article nous décrivons un
appareil analogue
permettant
d’enregistrer,
en fonction dutemps
ouen fonction d’autres
paramètres,
les variations dupotentiel
de surface de couches monomoléculaires à l’interfaceeau-air ;
nous nous attachonsprinci-palement
auxprécautions
demontage
exigées
tantpar la méthode de mesure utilisée que par la néces-sité de réaliser un
appareil
stable dans letemps.
I.
Principe
del’appareil.
-- Leprincipe
del’appareil
décrit par les auteursprécédents
est donné par lapartie
de lafigure 1
située àgauche
du trait mixte etcomprenant
les connexions tracées entrait
pointillé :
La vibration de la lame M est obtenue par un
système
électromécanique
(non
représenté
sur lafigure)
dont lafréquence
de vibration est dequelques
centaines de Hertz. Une différence depotentiel
entre la lame M et l’électrode de référenceQ(VMQ)
faitapparaître
une tension alternative auxbornes
de la résistanceR ;
celle-ci estamplifiée
par unamplificateur
à bassefréquence
detype
clas-sique
aux bornesduquel
est branché un écouteur ou unoscillographe. Lorsque
la tension .E estréglée
de manière à annuler la tension de sortie del’amplificateur,
les variations dupotentiel
desur-face sont
égales
aux variationscorrespondantes
de E.Nous avons
complété
ledispositif précédent
de la manière suivante : la tension alternativedéli-vrée par
l’amplificateur
est redressée par un détec-teur dephase
et la tension continue ainsi obtenueest branchée en
opposition
avecVMQ,
com-Fie. 1. -
Schéma fonctionnel du
potentiomètre
à lame vibrante.plète
avec les connexions en traitpointillé
sup-priméesj.
Avec cemontage
encontre-réactiontotale,
la tension E ne sert
plus qu’à
annuler la tension de sortie du détecteur dephase
avant ledépôt
d’une couche monomoléculaire sur leliquide-support.
En cecas, ~ E
restantconstant,
l’apparition
ulté-rieure d’unpotentiel
de surface A V dû à la coucheinonomoléculaire,
se traduit par une tension à la sortie du détecteur dephase
donnée par :184 A
où n est le rendement du condensateur
vibrant,
g legain
del’amplificateur
et d le rendement dudétecteur de
phase.
Dans notre cas nous avonsngd =
200,
de sorte queUn millivoltmètre branché à la sortie du
détec-teur de
phase
permet
ainsi la lecture directe despotentiels
desurface,
tandisqu’un
enregistreur
permet
de suivre leur variation en fonction dutemps
ou en fonction de tout autreparamètre
utilisable pour la commande du déroulement du
papier
del’enregistreur.
Enparticulier,
ce dernierpeut
êtresynchronisé
avec lesdéplacements
de labarrière mobile d’une cuve de
Langmuir.
Dans sa réalisation
électronique,
leprésent
appa-reil estidentique
à l’électromètre à condtnsateurvibrant réalisé par M.
Brière,
1955 et utilisé pourla mesure des courants de très faible
intensité,
il ne diifère de celui-ci que par la réalisation ducondensateur vibrant
proprement
dit.II. Construction et mise vau
point
ducondensa-teur vibrant. -
Io CONSTITUTION DE L’ENSEMBLE
« CONDENSATEUR VIBRANT ». - La lame vibrante
M est en acier
inoxydable (M. Brière,
loc.cit.),
elleest circulaire et sa surface est de 7
em2 ;
savibra-tion est obtenue en la reliant par une
petite tige
en acier
inoxydable
de 3 cm delong
à une secondelame
M’ ;
celle-ci est attirée alternativement par le noyau N d’une bobine excitée par une tensionalternative. M’ est fixée
rigidement
par une de sesextrémités au boitier F contenant la bobine
2).
Afin d’obtenir le’meilleur rendement de modulationl’ensemble vibreur fonctionne à sa
fréquence
de résonancemécanique
laplus
élevée,
soit 380 Hertz.FIG. 2. -
Disposition des divers éléments de
l’appareil-lage de mesure comprenant condensateur vibrant,
élec-trode de référence et préamplificateur.
La distance moyenne entre M et la surface du
liquide
estcomprise
entre0,5
mm et 1 mm et estréglée
au moyen de trois vispermettant
dedépla-cer verticalement le
support
de M.20 MISE AU POTNT. - Au
cours de la mise au
point
dupotentiomètre
à lamevibrante,
nous noussommes
spécialement
attachés,
d’unepart
à ne pas réduire le rendement de modulation par de mauvais isolements ou descapacités parasites
se trouvant enparallèles
avecl’impédance
d’entrée de l’ampli-ficateur(R
=109S~),
d’autrepart
à rendrenégli-geables
toutes les tensionsparasites,
parrapport
ausignal
utilequi
est de 50V.V
pour A
V = 10 mV.L’amplitude
des tensionsparasites
que nous avonsobservées était souvent 10 à 100 fois
supérieure
àcelle du
signal
utileauquel
elless’ajoutent
vecto-riellement.
a)
Isolement etcapacités parasites.
-L’ampli-ficateur est
précédé
d’unétage préamplificateur
àtrès faible
impédance
de sortieplacé
dans un boitier blindé et fixé leplus
près possible
de l’électrode deréférence ;
cecipermet
d’utiliser des connexions de 2 m à 3 m delong
allant vers lesétages
amp’ifica-teurs
suivants ;
la fiche d’entrée dupréamplifi-cateur est du
type
coaxial,
isolée au téflon etb~indée ;
pour diminuer au maximum sacapacité
parrapport
à la masse et pour assurer sonisole-ment,
laplaque
M" surlaquelle
estposée
leréci-pient
contenant leliquide
est fixé? par desperles
en stéatite sur un bloc de bakélite de 25 mm
d’épaisseur.
b)
Tensionsparasites
dites à descouplages
élec-trostatiques
ouélectromagnétiques.
-L’ensemble condensateur vibrant et le
préamplificateur
sontplacés
à l’intérieur d’une cage deFaraday
engril-lage
delaiton ;
celle-ci est réunie aupoint
de ma~secommun des circuits d’entrée
(M. B-ière, 1955).
Afin de travailler à l’abri de lapoussière
et pour conserver latransparence
à la cage deFaraday,
nous avons fixé sur ses
parois
extérieures des feuilles enplexig’as.
Pour éviter tout
coup?agP
avec le circuit d’entréedu
préamplificateur,
la bobine d’excitation et le câble amenant la tension excitatrice sont b’indéset les
blindages
sont réunis à la cage deFaraday.
Il s’est avéréindispensable
desupprimer
toute matière isolante nonrigoureusement b’indée ;
lechamp électrique
créé auvoisinage
de la lame vibrante par leschargps
de surface de ces isolants serait modulé par celle-ci et à l’entrée dupréampli-ficateur il
apparaîtrait
des tensionsparasites
ins-tables et defréquence égale
à celle dusignal
utile.La stéatite et la
bakélite,
nepossédant
pas cedéfaut,
ont pu être utilisées.Pour cette même raison nous avons été amenés à
badigeonner
d’une solution saline les feuilles deplexiglas
recouvrant la cage deFaraday,
bien que ces feuilles soient fixées sur sa faceextérieure. j
c)
Tensionsparasites d’origine
microphonique.
185 A
sont celles
qui résultent,
ou de la vibration du tubepréamplificateur,
ou de la vibration de laconnexion de la
grille
à hauteimpédance
de cetube,
parrapport
à la masse ou à d’autrescon-nexions
portées
à des tensions continuesplus
ou moins élevées. Ce sont les tensionsparasites
lesplus
élevées que nous avons observées.Pour
supprimer
les vibrationsayant
leurorigine
en dehors du
dispositif
de mesure lui-même il estnécessaire de
placer
la cage deFaraday
sur unsup-port
très stable.La
principale
source demicrophonie
est cepen-dant constituée par la transmission des vibrations des lames M et M’ aux autres éléments à l’intérieur de la cage deFaraday. Afin
de réduire aumaxi-mum les tensions
parasites
qui
en résultent nousavons réalisé le
montage
de ces éléments de la manière suivante(fige 2) :
- Les
supports
des lames M et M" sont montéssur deux bâtis antivibratoires distincts. Ces bâtis sont constitués chacun d’une
brique
deplomb
placée
sur du caoutchouc mousse de 1 cmd’épais-seur. L’électrode
Q
estégalemEnt
fixée sur un bâtiantivibratoire de dimensions
appropriées.
- Le boitier contenant le
préamplificateur
estfixé
rigidement
sur une des faces internes de la cage deFaraday.
- Toutes les connexions réalisées à l’intérieur
de la cage de
Faraday
sont trèssouples (Tl, T2,
T3, T4),
et le passage à travers la cage deFaraday
du câble amenant la tension alternative sur la bobine d’excitation est réalisé de manièrequ’au-cune vibration ne soit transmise à la cage.
La distance
séparant
la lame M de la surface duliquide-support
doit êtresupérieure
à0,5
mm ; dans le cas contraire les variations depression
de l’aircompris
sous la lame M sont suffisantes pour que les vibrations de celle-ci soient transmises auliquide-support.
III. Perf ormances. - Le
potentiomètre
à lamevibrante que nous venons de décrire est muni de
deux gammes de mesure, l’une de 100
mV,
la seconde de 500mV ;
dans les deux cas laprécision
théorique
est de0,5
%
comme nous l’avons vuplus
haut. Enpratique,
laprécision
estplus
faible etlimitée par celle de
l’appareil
de mesureplacé
à lasortie du détecteur de
phase
et par celle del’enre-,
gistreur ;
avecl’erLregistreur
que nousutilisons,
elle estde +
1 mV et~
5 mV pour les deux gammes de mesure.Cette
précision
nous semblesuffisante,
en parti-culier parce que les différencesstatistiques
entre lespotentiels
de surface deplusieurs
couchesmono-moléculaires
identiques
sontsupérieures
à lapré-cision en valeur absolue de notre
appareil,
tant en cequi
concerne les acides gras que certainesmolé-cules
biologiques.
La dérive del’appareil
est infé-rieure à 5 mV parheure,
cequi
permet
d’effectuerdes mesures
pendant
untemps
très long.Nous tenons à
exprimer
nos remerciements lesplus
vifs au Professeur J.Coursaget
et à MmeI. Pinset pour le
grand
intérêtqu’ils
ont accordé à notre travail et pour lesencouragements
qu’ils
nous ont
prodigués,
ainsiqu’à
M. Brière pour sa constante et amicale collaboration.Manuscrit reçu le 27
janvier
1961.’
BIBLIOGRAPHIE
[1] ADAM (N. K.), The physics and Chemistry of Surfaces,
Oxford
University
Press, 3rd édition.[2] YAMINS (W. A.) and ZISMAN (H. G.), J. Chem. Physics, 1933, 1, 656.
[3] DAYIES (J. T.), Z. Elektrochem., 1951, 55, 559.
[4] KINLOCH (C. D.) et MCMULLEN (A. I.), J. Sc. Instr., 1959, 36, 347.
[5] BRIÈRE
