EP1436085A1 - Dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnetique. - Google Patents

Dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnetique.

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EP1436085A1
EP1436085A1 EP02795313A EP02795313A EP1436085A1 EP 1436085 A1 EP1436085 A1 EP 1436085A1 EP 02795313 A EP02795313 A EP 02795313A EP 02795313 A EP02795313 A EP 02795313A EP 1436085 A1 EP1436085 A1 EP 1436085A1
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EP
European Patent Office
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magnetic
magnetic liquid
liquid
bars
cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02795313A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Constantin
Patrick Pouteau
Yves Fouillet
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1436085A1 publication Critical patent/EP1436085A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/08—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid using a permanent magnet
    • F16K31/086—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid using a permanent magnet the magnet being movable and actuating a second magnet connected to the closing element
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence

Definitions

  • the invention relates to a microfluidic device for handling a non-magnetic liquid.
  • a microfluidic device for handling a non-magnetic liquid.
  • Such a device can be used in the field of biochips, in the pharmaceutical industry and in fine chemicals. It can also be used for handling dangerous liquids.
  • the devices using magnetic fluids for handling small volumes of non-magnetic fluids all use a pumping principle in pre-existing fixed tubes or tubes formed in a substrate.
  • U.S. Patent No. 5,005,639 is representative of this principle.
  • the displacement of the non-magnetic fluid is restricted to a single dimension, or even to a single direction.
  • Other devices such as that described in international application WO 99/58 245, if they do not comprise channels with solid walls, only allow a volume of fluid to be displaced along a linear path predefined by the structuring of the surfaces of displacement.
  • the liquid object of the manipulation can only move in the dimension defined by these paths.
  • magnetic control is only considered in the case where a magnetic liquid is the object of manipulation (blocking of the latter by magnetic valves). The magnetic liquid is not used to handle other non-magnetic liquid.
  • active microfluidic devices valves, pumps, etc.
  • MEMS technologies Micro-Electro-Mechanical Systems
  • micromachining and assembly of substrates and thin layers we can refer to this subject in the article "Micro-systems in biomedical applications" by P. DARIO et al., Published in J. Micromech. Microeng. 10 (2000), pages 235-244.
  • active microfluidic devices comprise mobile mechanical parts which are difficult to produce and have a limited lifespan.
  • an reconfigurable active microfluidic device using a magnetic liquid to form a wall for a volume of non-magnetic liquid to be handled.
  • This wall is formed by creating a deformation in the volume of magnetic liquid. This deformation allows a non-magnetic liquid that is immiscible with the magnetic liquid
  • This non-magnetic liquid (or several non-magnetic liquids immiscible with the magnetic liquid) to integrate into the device.
  • This non-magnetic liquid (or these non-magnetic liquids) can be called contained liquid (or contained liquids).
  • contained liquid or contained liquids.
  • the subject of the invention is therefore a microfluidic device for handling a non-magnetic liquid, comprising at least one cell comprising:
  • - means for evacuating non-magnetic liquid from the enclosure - magnetic means associated with the enclosure and making it possible to apply locally to the magnetic liquid a magnetic field whose energy profile exhibits a depression causing, by discharge magnetic liquid, at least one volume for receiving the non-magnetic liquid, said magnetic field being able to be displaced to allow manipulation of the non-magnetic liquid between said introduction means and said evacuation means.
  • the means for introducing the non-magnetic liquid can comprise at least one inlet orifice.
  • the means for discharging the non-magnetic liquid can comprise at least one outlet orifice.
  • the magnetic means can comprise at least one permanent magnet and / or at least one fixed or mobile electromagnetic element.
  • the cell comprises a flat enclosure, formed from two parallel plates confining the magnetic liquid in the form of a sheet.
  • the magnetic means can be supported by at least one of the two plates and / or integrated into at least one of the two plates. At least one of the plates has its internal face to the treated cell to facilitate the handling of the non-magnetic liquid and / or the magnetic liquid.
  • the magnetic means can comprise a writable magnetic material. This writable magnetic material (magnetic tape or disc) can be transformed into a permanent magnet of chosen shape by a writing operation of the same type as that used for data storage. This operation can be carried out before assembling the containment or after, just before handling.
  • the magnetic means can also include at least one matrix of individually addressable and / or switchable electromagnetic elements.
  • the magnetic means comprise at least one tubular permanent magnet of axis perpendicular to the sheet of magnetic liquid and of magnetization perpendicular to the sheet of magnetic liquid.
  • the receiving volume of the non-magnetic liquid then corresponds to the magnetic energy depression existing in the axis of the tubular permanent magnet.
  • the magnetic means comprise two magnetic strips, mutually parallel and with magnetization perpendicular to the sheet of magnetic liquid.
  • the volume of reception of the non-magnetic liquid then corresponds to the depression of magnetic energy existing between the two bars.
  • This device may further comprise means for jointly moving the two magnetic bars between at least a first position and a second position.
  • the means for jointly moving the two magnetic bars can cause a displacement by rotation and / or by translation of the two magnetic bars.
  • the two magnetic bars can have means causing at least a localized restriction of the volume of reception of the non-magnetic liquid, the means for jointly moving the two magnetic bars causing, by the displacement of these bars, the propulsion of the non-magnetic liquid contained in the reception volume.
  • the device can comprise at least two adjacent cells, means for discharging the non-magnetic liquid from the cell communicating with means for introducing the non-magnetic liquid from the adjacent cell.
  • Two adjacent cells may have a common plate and thus be superimposed.
  • FIG. 1 represents a diagram showing an energy profile of a magnetic field used by the present invention
  • FIG. 2 is a partial perspective view of a first microfluidic device for handling a non-magnetic liquid, according to the invention
  • - Figure 3 is a partial perspective view of a second microfluidic device for handling a non-magnetic liquid, according to the invention
  • - Figure 4 is an explanatory view of the operation of a micro-device fluid allowing the projection of a non-magnetic liquid, according to the invention
  • FIG. 5 is a top view of another microfluidic device for handling a non-magnetic liquid, according to the invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of the main parts of yet another microfluidic device for handling a non-magnetic liquid, according to the invention.
  • FIG. 1 represents a diagram showing an energy profile E CM of a magnetic field as a function of a direction x.
  • E CM energy profile
  • the magnetic liquid tends to leave the zone where the energy of the magnetic field is weak for its periphery, where the energy of the magnetic field is strong, leaving space for another non-magnetic liquid and immiscible with the magnetic liquid .
  • This non-magnetic liquid is then confined by walls of magnetic liquid.
  • the magnetic liquids which can be used by the invention consist of solid magnetic particles suspended in an aqueous liquid matrix (ionic magnetic liquids) or oily (oily magnetic liquids).
  • Non-magnetic liquids which can be handled, or contained liquids, are solutions which may or may not contain particles in suspension. These particles can be solid (non-magnetic materials), biological (inert or living) or a combination of the two.
  • the device according to the invention can be reconfigured since the walls of the magnetic liquid containing can be modified at will, according to a predetermined choice.
  • the volume of magnetic liquid can be delimited by two solid plates, parallel to each other, forming a cell for handling non-magnetic fluids.
  • Figure 2 is a partial perspective view of such a cell. It shows two flat plates 1 and 2, parallel to each other and spaced apart by a submillimetric distance.
  • the cell includes, for example, an inlet capillary 3 terminating perpendicularly on the plate 1 and an outlet capillary 4 parallel to the plane of the cell.
  • the cell is filled with a non-miscible magnetic liquid 5 with the fluid to be handled.
  • the magnetic liquid 5 forms a sheet.
  • the cell is closed at its periphery by elements not shown.
  • the cell is designed so as to receive a certain quantity of magnetic fluid and to be able to create therein a receiving volume of non-magnetic fluid.
  • the plates 1 and 2 can be made of a material chosen to allow an increase in the internal volume of the cell.
  • the volume of the fluid to be handled is confined by a wall of magnetic liquid.
  • the magnetic field profile can be obtained by a tubular permanent magnet 6 placed for example under the plate 2.
  • a field energy hole is created in the axis of the tubular magnet. magnetic allowing to confine, by the walls formed by the magnetic liquid 5, a drop 7 of non-magnetic fluid.
  • the energy profile of the magnetic field also moves, as does the wall of magnetic liquid. We can thus bring the drop 7, by a desired path, from the inlet capillary 3 up to outlet capillary 4.
  • the displacement of the walls of magnetic liquid can take place in two dimensions and in any direction chosen by the manipulator.
  • the magnet 6 can be produced by means of a steel tube with an internal diameter of 3 mm and an external diameter of 10 mm placed on a cylindrical magnet made of NdFeB with a diameter of 10 mm.
  • the magnetic field used is for example 0.12 T. This magnetic field makes it possible to move a drop of non-magnetic and immiscible liquid with a diameter of 3 mm (that is to say less than 4 ⁇ l) in a sheet of magnetic liquid, in any direction of the plane of the sheet.
  • the drop of liquid contained is formed under the inlet capillary 3 by pressure, this capillary being connected to a syringe of non-magnetic liquid installed in a syringe pump. Once the drop has formed, its movement is managed magnetically.
  • FIG. 3 is a partial sectional view of another device according to the present invention.
  • the cell of the device comprises, as for the previous device, two plates 11 and 12 for confining a magnetic liquid 15 immiscible with the non-magnetic liquid to be handled.
  • Two magnetic strips 13 and 14, parallel to each other, are arranged under the plate 12. Their magnetization is perpendicular to the plane of the cell. It then forms, in the sheet of magnetic liquid, above the space between the bars 13 and 14, a channel free of magnetic liquid. This channel is formed as soon as a non-magnetic liquid is circulated.
  • a microfluidic switch is obtained by tilting, for example, the channel from an inlet capillary axis 16 / outlet capillary 17 to an inlet capillary axis 16 / outlet capillary 18.
  • Different configurable micro-fluidic devices fixed or mobile, can be envisaged in accordance with the invention, using different geometries or configurations of fixed or mobile magnets or electromagnets: rectilinear, curved channels, with or without restriction, switch, switch, mixer, etc.
  • a restriction of a channel delimited by the walls of a magnetic liquid can be obtained using two bars 23 and 24 (see FIG. 4 which represents a restriction seen from above).
  • the bars 23 and 24 have two perpendicular extensions, respectively 27 and 28, which cause a restriction of the channel containing the non-magnetic liquid 25.
  • the plates delimiting the cell can be chosen so that their internal walls of the cell are chemically or biologically compatible with the liquids to be handled. The same goes for magnetic liquid.
  • the plates can be made of polymer, glass, silicon or comprise thin layers such as those used in micro-technology.
  • the plates of the same cell can be identical or of different natures. They can consist of an assembly of materials, certain materials constituting them also being able to participate in the constitution of magnetic means.
  • the plates can be rigid or not.
  • the displacement of the magnetic liquid or of the non-magnetic liquid contained can be facilitated by controlling the hydrophobicity of the internal surfaces of the plates, by controlling the nature of these surfaces, for example by depositing a thin layer of a suitable material or by creating micro-structured roughness.
  • the inputs and outputs of the cells can be connected to other cells, coplanar or superimposed, or to a reservoir of magnetic liquid, allowing the production of complex microfluidic devices in three dimensions.
  • two cells can be superimposed, their separation being constituted by a plate common to the two cells and can be pierced with holes connecting these two cells.
  • the inputs and outputs of the cells can be capillaries, pipette cones or any other assembly generally used in microfluidics.
  • the displacement of the contained liquid can be done in two dimensions and in any direction.
  • FIG. 5 represents, seen from above, an exemplary embodiment of the cell of a device according to the invention. This cell comprises an upper plate 31 in machined plexiglass 2 mm thick.
  • the lower plate is a Hybriwell self-adhesive plastic film, generally used in light microscopy, of thickness 170 ⁇ m and glued to the upper plate 31 by a peripheral adhesive seal 33 of 120 ⁇ m thickness.
  • the cell size is 64mm x 25.5mm.
  • the facing surfaces of the lower and upper plates are treated to be hydrophobic.
  • the cell of FIG. 5 comprises two inlets 32 and 34 and three outlets 35, 36 and 37 of 400 ⁇ m in diameter made in the upper plate 31, in which are stuck capillaries which are not shown with an external diameter of 380 ⁇ m and an internal diameter of 250 ⁇ m.
  • a channel free of magnetic liquid is created by varying the energy of the magnetic field which is formed between the upper and lower plates by pushing an immiscible non-magnetic liquid with the magnetic liquid, from an inlet to an outlet.
  • the magnetization of the bars is perpendicular to the surface of the plates.
  • the magnetic field is around 0.27 T.
  • the bars 38 and 39 create, for example, a channel between the inlet 32 and the outlet 36.
  • the channel can switch between the inlet 32 and the outlet 35.
  • the channel can slide from the inlet 32 - outlet 36 direction to the inlet 34 - outlet 37 direction.
  • Non-magnetic liquid can be pushed into the inlet capillary and into the channel by a syringe installed in a syringe pump.
  • FIG. 6 shows a circular switch with a central inlet 45 and several peripheral outlets 46 produced on the upper plate 41.
  • a sheet of magnetic liquid, not shown, is confined between the upper plate 41 and the plate lower 42.
  • Under the lower plate 42 are arranged two magnetic bars 43 and 44, mutually parallel, the magnetization of which is perpendicular to the plane of the cell.
  • the magnetic bars 43 and 44 are jointly movable in rotation about the axis of the central entrance 45. The joint rotation of the magnetic bars 43 and 44 allows the creation of a channel between the central entrance 45 and one any of the outputs 46.
  • the device according to the invention can implement an array of individually addressable and / or switchable magnets or electromagnets.
  • This type of matrix makes it possible to envisage a generic microfluidic component, possibly programmable, configurable at will and in which one can manipulate walls of magnetic liquid to create channels of more or less complex shape (in serpentine for example), referrers or injections.
  • the walls of the magnetic liquid can also be manipulated to move, mix or split drops of liquid.
  • the same device can fulfill one or more of the functions announced above and be associated with heating, stimulation (electrical, optical, chemical or biological) or detection functions.
  • heating, stimulation electrical, optical, chemical or biological
  • detection functions By bringing, for example, the quantity of liquid contained below a capillary, one can inject a reagent there or aspirate all or part of the liquid contained.
  • the liquid contained can also be brought directly above one or more electrodes to apply electrical stimulation.
  • the liquid The content can also be brought into line with a zone with controllable temperature (activation or inhibition of a chemical or biological reaction in a drop of reagent for example).
  • By bringing the liquid contained above an optical device it is possible (by a window in the cell, transparent at a certain wavelength or by an optical fiber) to activate or detect an optical signal, for example by fluorescence .

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Abstract

L'invention concerne un dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, comprenant au moins une cellule comprenant :- une enceinte assurant le confinement d'un liquide magnétique (5) non miscible avec le liquide non magnétique (7) ô manipuler,- des moyens magnétiques (6) associés ô l'enceinte et permettant d'appliquer localement au liquide magnétique un champ magnétique dont le profil d'énergie présente une dépression provoquant, par refoulement du liquide magnétique, au moins un volume de réception du liquide non magnétique, le champ magnétique pouvant être déplacé pour permettre une manipulation du liquide non magnétique entre des moyens d'introduction (3) et des moyens d'évacuation (4).

Description

DISPOSITIF MICRO-FLUIDIQUE POUR LA MANIPULATION D'UN
LIQUIDE NON MAGNETIQUE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif micro- fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique. Un tel dispositif peut être utilisé dans le domaine des biopuces, dans l'industrie pharmaceutique et la chimie fine. Il peut aussi être utilisé pour la manipulation de liquides dangereux.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les dispositifs utilisant des fluides magnétiques pour la manipulation de petits volumes de fluides non magnétiques font tous appel à un principe de pompage dans des tubes fixes préexistants ou formés dans un substrat. Le brevet des Etats-Unis N° 5 005 639 est représentatif de ce principe. Dans ce genre de dispositifs, le déplacement du fluide non magnétique se restreint à une seule dimension, voire à un seul sens. D'autres dispositifs, tels que celui décrit dans la demande internationale WO 99/58 245, s'ils ne comportent pas de canaux à parois solides, ne permettent de déplacer un volume de fluide que suivant un chemin linéaire prédéfini par la structuration des surfaces de déplacement. Le liquide objet de la manipulation ne peut se déplacer que dans la dimension définie par ces chemins. De plus, la commande magnétique n'est envisagée que dans le cas où un liquide magnétique est l'objet de la manipulation (blocage de ce dernier par des vannes magnétiques) . Le liquide magnétique n'est pas utilisé pour manipuler un autre liquide non magnétique.
On connaît aussi des dispositifs microfluidiques actifs (valves, pompes, etc.) fabriqués par les technologies MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) mettant en œuvre des techniques de microusinage et d'assemblage de substrats et de couches minces. On peut se reporter à ce sujet à l'article "Micro-systems in biomédical applications" de P. DARIO et al., paru dans J. Micromech. Microeng. 10 (2000), pages 235-244. Ces dispositifs microfluidiques actifs comportent des pièces mécaniques mobiles difficiles à réaliser et ayant une durée de vie limitée.
En outre, aucun de ces dispositifs n'est entièrement reconfigurable d'une utilisation à l'autre, ni en cours d'utilisation.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Afin de remédier aux inconvénients présentés par les dispositifs de l'art antérieur, il est proposé un dispositif micro-fluidique actif, reconfigurable, utilisant un liquide magnétique pour former une paroi pour un volume de liquide non magnétique à manipuler. Cette paroi est formée par création d'une déformation dans le volume de liquide magnétique. Cette déformation permet à un liquide non magnétique et non miscible avec le liquide magnétique
(ou à plusieurs liquides non magnétiques et non miscibles avec le liquide magnétique) de s'intégrer dans le dispositif. Ce liquide non magnétique (ou ces liquides non magnétiques) peut être appelé liquide contenu (ou liquides contenus) . Par gestion des moyens magnétiques, il est possible de provoquer le déplacement ou la transformation (fractionnement, mélange, etc.) du volume de liquide contenu.
L'invention a donc pour objet un dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, comprenant au moins une cellule comprenant :
- une enceinte assurant le confinement d'un liquide magnétique non miscible avec le liquide non magnétique à manipuler,
- des moyens d'introduction du liquide non magnétique dans l'enceinte,
- des moyens d'évacuation du liquide non magnétique hors de l'enceinte, - des moyens magnétiques associés à l'enceinte et permettant d'appliquer localement au liquide magnétique un champ magnétique dont le profil d'énergie présente une dépression provoquant, par refoulement du liquide magnétique, au moins un volume de réception du liquide non magnétique, ledit champ magnétique pouvant être déplacé pour permettre une manipulation du liquide non magnétique entre lesdits moyens d'introduction et lesdits moyens d'évacuation.
Les moyens d'introduction du liquide non magnétique peuvent comprendre au moins un orifice d' entrée .
Les moyens d'évacuation du liquide non magnétique peuvent comprendre au moins un orifice de sortie. Les moyens magnétiques peuvent comprendre au moins un aimant permanent et/ou au moins un élément électromagnétique fixe ou mobile.
Avantageusement, la cellule comprend une enceinte plate, constituée à partir de deux plaques parallèles confinant le liquide magnétique sous la forme d'une nappe. Les moyens magnétiques peuvent être supportés par au moins l'une des deux plaques et/ou intégrés à au moins l'une des deux plaques. Au moins l'une des plaques a sa face interne à la cellule traitée pour faciliter la manipulation du liquide non magnétique et/ou du liquide magnétique. Les moyens magnétiques peuvent comprendre un matériau magnétique inscriptible. Ce matériau magnétique inscriptible (bande ou disque magnétique) peut être transformé en aimant permanent de forme choisie par une opération d'écriture du même type que celle utilisée pour le stockage de données. Cette opération peut être réalisée avant l'assemblage de l'enceinte de confinement ou après, juste avant la manipulation. Les moyens magnétiques peuvent aussi comprendre au moins une matrice d'éléments électromagnétiques adressables et/ou commutables individuellement. Ils peuvent être fixes ou mobiles . Selon une première variante de réalisation, les moyens magnétiques comprennent au moins un aimant permanent tubulaire d'axe perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique et d'aimantation perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique. Le volume de réception du liquide non magnétique correspond alors à la dépression d'énergie magnétique existant dans l'axe de 1 ' aimant permanent tubulaire .
Selon une deuxième variante de réalisation, les moyens magnétiques comprennent deux barrettes aimantées, parallèles entre elles et d'aimantation perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique. Le volume de réception du liquide non magnétique correspond alors à la dépression d'énergie magnétique existant entre les deux barrettes. Ce dispositif peut comprendre en outre des moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées entre au moins une première position et une deuxième position. Les moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées peuvent provoquer un déplacement par rotation et/ou par translation des deux barrettes aimantées. Les deux barrettes aimantées peuvent posséder des moyens provoquant au moins une restriction localisée du volume de réception du liquide non magnétique, les moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées provoquant, par le déplacement de ces barrettes, la propulsion du liquide non magnétique contenu dans le volume de réception.
Le dispositif peut comprendre au moins deux cellules adjacentes, des moyens d'évacuation du liquide non magnétique de la cellule communiquant avec des moyens d'introduction du liquide non magnétique de la cellule adjacente. Deux cellules adjacentes peuvent posséder une plaque commune et être ainsi superposées.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :
- la figure 1 représente un diagramme montrant un profil d'énergie d'un champ magnétique exploité par la présente invention,
- la figure 2 est une vue partielle, en perspective, d'un premier dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, selon l'invention,
- la figure 3 est une vue partielle, en perspective d'un deuxième dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, selon 1 ' invention, - la figure 4 est une vue explicative du fonctionnement d'un dispositif micro-fluidique permettant la projection d'un liquide non magnétique, selon 1 ' invention,
- la figure 5 est une vue de dessus d'un autre dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, selon l'invention,
- la figure 6 est une vue en perspective des principales parties d'encore un autre dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, selon l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION DE ' INVENTION
La figure 1 représente un diagramme montrant un profil d'énergie ECM d'un champ magnétique en fonction d'une direction x. Un tel profil d'énergie permet la déformation d'un liquide magnétique soumis à ce champ magnétique. Le liquide magnétique a tendance à quitter la zone où l'énergie du champ magnétique est faible pour sa périphérie, où l'énergie du champ magnétique est forte, laissant la place libre- à un autre liquide non magnétique et non miscible avec le liquide magnétique. Ce liquide non magnétique est alors confiné par des parois de liquide magnétique.
Les liquides magnétiques utilisables par l'invention sont constitués de particules magnétiques solides en suspension dans une matrice liquide aqueuse (liquides magnétiques ioniques) ou huileuse (liquides magnétiques huileux) .
Les liquides non magnétiques manipulables, ou liquides contenus, sont des solutions contenant ou non des particules en suspension. Ces particules peuvent être solides (matériaux non magnétiques) , biologiques (inertes ou vivantes) ou un assemblage des deux. Le dispositif selon l'invention est reconfigurable puisque les parois du liquide magnétique contenant peuvent être modifiées à volonté, selon un choix préétabli.
En particulier, le volume de liquide magnétique peut être délimité par deux plaques solides, parallèles entre elles, formant une cellule de manipulation de fluides non magnétiques. La figure 2 est une vue partielle et en perspective d'une telle cellule. Elle montre deux plaques planes 1 et 2, parallèles entre elles et espacées d'une distance submillimétrique. La cellule comporte, à titre d'exemple, un capillaire d'entrée 3 aboutissant perpendiculairement sur la plaque 1 et un capillaire de sortie 4 parallèle au plan de la cellule. La cellule est remplie d'un liquide magnétique 5 non miscible ayec le fluide à manipuler. Le liquide magnétique 5 forme une nappe. La cellule est fermée à sa périphérie par des éléments non représentés. La cellule est conçue de façon à recevoir une certaine quantité de fluide magnétique et à pouvoir y créer un volume de réception de fluide non magnétique. Par exemple, les plaques 1 et 2 peuvent être en un matériau choisi pour permettre une augmentation du volume interne de la cellule.
En créant un champ magnétique de façon à avoir une faible énergie de champ magnétique dans un volume de fluide non magnétique et non miscible à manipuler, et une énergie de champ magnétique élevée autour de ce volume de fluide non magnétique, où le liquide magnétique a tendance à aller, on obtient le confinement du volume du fluide à manipuler par une paroi de liquide magnétique.
Comme le montre la figure 2, le profil de champ magnétique peut être obtenu par un aimant permanent tubulaire 6 placé par exemple sous la plaque 2. Il se crée, dans l'axe de l'aimant tubulaire, un trou d'énergie de champ magnétique permettant de confiner, par les parois formées par le liquide magnétique 5, une goutte 7 de fluide non magnétique. En déplaçant l'aimant 6 sous la plaque 2, le profil d'énergie du champ magnétique se déplace également, ainsi que la paroi de liquide magnétique. On peut ainsi amener la goutte 7, par un chemin désiré, depuis le capillaire d'entrée 3 jusqu'au capillaire de sortie 4. Le déplacement des parois de liquide magnétique peut s'effectuer dans deux dimensions et dans une direction quelconque choisie par le manipulateur. L'aimant 6 peut être réalisé au moyen d'un tube d'acier de diamètre intérieur 3 mm et de diamètre extérieur 10 mm posé sur un aimant cylindrique en NdFeB de 10 mm de diamètre. Le champ magnétique mis en œuvre est par exemple de 0,12 T. Ce champ magnétique permet de déplacer une goutte de liquide non magnétique et non miscible de 3 mm de diamètre (c'est-à-dire moins de 4 μl) dans une nappe de liquide magnétique, dans n'importe quelle direction du plan de la nappe. La goutte de liquide contenu est formée sous le capillaire d'entrée 3 par pression, ce capillaire étant relié à une seringue de liquide non magnétique installée dans un pousse-seringue. Une fois la goutte formée, son déplacement est géré magnétiquement.
Il est possible alors de commander le déplacement d'une ou de plusieurs gouttes par exemple contenant des micro-objets solides (des micro-sphères par exemple) ou biologiques (des cellules par exemple) en suspension dans une solution.
La figure 3 est une vue partielle et en coupe d'un autre dispositif selon la présente invention. La cellule du dispositif comprend, comme pour le dispositif précédent, deux plaques 11 et 12 de confinement d'un liquide magnétique 15 non miscible avec le liquide non magnétique à manipuler. Deux barrettes aimantées 13 et 14, parallèles entre elles, sont disposées sous la plaque 12. Leur aimantation est perpendiculaire au plan de la cellule. Il se forme alors, dans la nappe de liquide magnétique, au-dessus de l'espace compris entre les barrettes 13 et 14, un canal exempt de liquide magnétique. Ce canal se forme dès qu'on fait circuler un liquide non magnétique. En déplaçant conjointement les barrettes 13 et 14 sous la plaque 12, les parois de liquide magnétique se déplacent. On obtient un aiguilleur micro-fluidique en basculant par exemple le canal d'un axe capillaire d'entrée 16 / capillaire de sortie 17 vers un axe capillaire d'entrée 16 / capillaire de sortie 18.
Différents dispositifs micro-fluidiques configurables, fixes ou mobiles, peuvent être envisagés conformément à l'invention, utilisant différentes géométries ou configurations d'aimants ou d' électroaimants fixes ou mobiles : canaux rectilignes, courbes, avec ou sans restriction, aiguilleur, commutateur, mélangeur, etc. Une restriction d'un canal délimité par les parois d'un liquide magnétique peut être obtenue à l'aide de deux barrettes 23 et 24 (voir la figure 4 qui représente une restriction vue de dessus) . Les barrettes 23 et 24 possèdent deux prolongements perpendiculaires, respectivement 27 et 28, qui provoquent une restriction du canal contenant le liquide non magnétique 25. En déplaçant les barrettes 23 et 24, on peut obtenir une propulsion du fluide non magnétique compris au voisinage de l'espace défini par ces barrettes. Les plaques délimitant la cellule peuvent être choisies de façon que leurs parois internes à la cellule soient chimiquement ou biologiquement compatibles avec les liquides à manipuler. Il en va de même pour le liquide magnétique. Les plaques peuvent être en polymère, en verre, en silicium ou comprendre des couches minces telles que celles utilisées en micro-technologie. Les plaques d'une même cellule peuvent être identiques ou de natures différentes. Elles peuvent être constituées d'un assemblage de matériaux, certains matériaux les constituant pouvant aussi participer à la constitution des moyens magnétiques. Les plaques peuvent être rigides ou non.
Le déplacement du liquide magnétique ou du liquide non magnétique contenu peut être facilité en contrôlant 1 ' hydrophobie des surfaces internes des plaques, par la maîtrise de la nature de ces surfaces, par exemple en déposant une couche mince d'un matériau approprié ou en créant une rugosité micro-structurée . Les entrées et les sorties des cellules peuvent être reliées à d'autres cellules, coplanaires ou superposées, ou à un réservoir de liquide magnétique, permettant la réalisation de dispositifs micro-fluidiques complexes en trois dimensions. En particulier, deux cellules peuvent être superposées, leur séparation étant constituée par une plaque commune aux deux cellules et pouvant être percé de trous reliant ces deux cellules.
Les entrées et sorties des cellules peuvent être des capillaires, des cônes de pipettes ou tout autre montage généralement utilisé en micro-fluidique. Le déplacement du liquide contenu peut se faire dans deux dimensions et dans n'importe quelle direction.
L'invention permet une simplification de la technologie micro-fluidique (pas de gravure de .microcanaux, pas de pièces solides mobiles en contact- avec le liquide non magnétique) et donc une plus grande fiabilité. Le liquide à manipuler étant contenu par le liquide magnétique, il n'y a pas de problème d' évaporâtion, même pour de très faibles volumes. Les dispositifs selon l'invention permettent la manipulation de liquides ne présentant pas de propriétés diélectriques particulières (cas du pompage électro-osmostique) . La figure 5 représente, vu de dessus, un exemple de réalisation de la cellule d'un dispositif selon l'invention. Cette cellule comprend une plaque supérieure 31 en plexiglas usiné de 2 mm d'épaisseur. La plaque inférieure, non visible sur le dessin, est un film plastique autocollant Hybriwell, généralement utilisé en microscopie optique, d'épaisseur 170 μm et collé à la plaque supérieure 31 par un joint de colle périphérique 33 de 120 μm d'épaisseur. La taille de la cellule est de 64 mm x 25,5 mm. Les surfaces en regard des plaques inférieure et supérieure sont traitées pour être hydrophobes .
La cellule de la figure 5 comprend deux entrées 32 et 34 et trois sorties 35, 36 et 37 de 400 μm de diamètre pratiquées dans la plaque supérieure 31, dans lesquelles sont collés des capillaires non représentés de diamètre extérieur 380 μm et de diamètre intérieur 250 μm.
En plaçant deux barrettes aimantées 38 et 39 en NdFeB sous la cellule, on crée, par variation de l'énergie du champ magnétique, un canal exempt de liquide magnétique qui se forme entre les plaques supérieure et inférieure en poussant un liquide non magnétique non miscible avec le liquide magnétique, d'une entrée vers une sortie. L'aimantation des barrettes est perpendiculaire à la surface des plaques. Le champ magnétique est d'environ 0,27 T.
Les barrettes 38 et 39 créent par exemple un canal entre l'entrée 32 et la sortie 36. Par rotation autour de l'axe de l'entrée 32, le canal peut basculer entre l'entrée 32 et la sortie 35. Par translation, le canal peut glisser de la direction entrée 32 - sortie 36 à la direction entrée 34 - sortie 37.
Le liquide non magnétique peut être poussé dans le capillaire d'entrée et dans le canal par une seringue installé dans un pousse-seringue.
On peut imaginer différentes géométries d'aiguilleurs ou de commutateurs micro-fluidiques basées sur le déplacement d'aimants permanents, permettant le déplacement de canaux à parois liquides depuis une ou plusieurs entrées vers une ou plusieurs sorties. La figure 6 montre un aiguilleur circulaire à une entrée centrale 45 et plusieurs sorties périphériques 46 réalisées sur la plaque supérieure 41. Une nappe de liquide magnétique non représentée est confinée entre la plaque supérieure 41 et la plaque inférieure 42. Sous la plaque inférieure 42 sont disposés deux barrettes aimantées 43 et 44, parallèles entre elles, dont l'aimantation est perpendiculaire au plan de la cellule. Les barrettes aimantées 43 et 44 sont conjointement mobiles en rotation autour de l'axe de l'entrée centrale 45. La .rotation conjointe des barrettes aimantées 43 et 44 permet la création d'un canal entre l'entrée centrale 45 et l'une quelconque des sorties 46. Le dispositif selon l'invention peut mettre en œuvre une matrice d'aimants ou d' électro-aimants adressables et/ou commutables individuellement. Ce type de matrice permet d'envisager un composant micro- fluidique générique, éventuellement programmable, configurable à volonté et dans lequel on peut manipuler des parois de liquide magnétique pour créer des canaux de forme plus ou moins complexe (en serpentin par exemple), des aiguilleurs ou des injections. Les parois du liquide magnétique peuvent aussi être manipulées pour déplacer, mélanger ou fractionner des gouttes de liquide.
Un même dispositif peut remplir une ou plusieurs des fonctions annoncées ci-dessus et être associé à des fonctions de chauffage, de stimulation (électrique, optique, chimique ou biologique) ou de détection. En amenant par exemple la quantité de liquide contenu à l'aplomb d'un capillaire, on peut y injecter un réactif ou aspirer tout ou partie du liquide contenu. Le liquide contenu peut aussi être amené à l'aplomb d'une ou de plusieurs électrodes pour y appliquer une stimulation électrique. Le liquide contenu peut aussi être amené à l'aplomb d'une zone à température contrôlable (activâtion ou inhibition d'une réaction chimique ou biologique dans une goutte de réactif par exemple) . En amenant le liquide contenu à l'aplomb d'un dispositif optique, on peut (par une fenêtre dans la cellule, transparente à une certaine longueur d'onde ou par une fibre optique) activer ou détecter un signal optique, par exemple par fluorescence.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, comprenant au moins une cellule comprenant :
- une enceinte assurant le confinement d'un liquide magnétique (5, 15) non miscible avec le liquide non magnétique (7) à manipuler,
- des moyens d'introduction (3, 16, 32, 34, 45) du liquide non magnétique dans l'enceinte,
- des moyens d'évacuation (4, 17, 35, 36, 37, 46) du liquide non magnétique hors de l'enceinte,
- des moyens magnétiques (6, 13, 14, 38, 39, 43, 44) associés à l'enceinte et permettant d'appliquer localement au liquide magnétique un champ magnétique dont le profil d'énergie présente une dépression provoquant, par refoulement du liquide magnétique, au moins un volume de réception du liquide non magnétique, ledit champ magnétique pouvant être déplacé pour permettre une manipulation du liquide non magnétique entre lesdits moyens d'introduction et lesdits moyens d'évacuation.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'introduction du liquide non magnétique comprennent au moins un orifice d'entrée (32, 34) .
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation du liquide non magnétique comprennent au moins un orifice de sortie (35, 36, 37) .
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent au moins un aimant permanent (6) et/ou au moins un élément électro-magnétique fixe ou mobile.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule comprend une enceinte plate, constituée à partir de deux plaques parallèles (1, 2, 11, 12, 31, 41, 42) confinant le liquide magnétique sous la forme d'une nappe (5, 15) .
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens magnétiques sont supportés par au moins l'une des deux plaques et/ou intégrés à au moins l'une des deux plaques.
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins l'une des plaques a sa face interne à la cellule traitée pour faciliter la manipulation du liquide non magnétique et/ou du liquide magnétique .
8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent un matériau magnétique inscriptible.
9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent au moins un aimant permanent tubulaire (6) d'axe perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique (5) et d'aimantation perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique.
10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent deux barrettes aimantées (13, 14, 38, 39, 43, 44), parallèles entre elles et d'aimantation perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique (15) .
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées entre au moins une première position et une deuxième position.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées provoquent un déplacement par rotation et/ou par translation des deux barrettes aimantées .
13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les deux barrettes aimantées (23,
24) possèdent des moyens (27, 28) provoquant au moins une restriction localisée du volume de réception du liquide non magnétique, les moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées provoquant, par le déplacement de ces barrettes, la propulsion du liquide non magnétique contenu dans le volume de réception.
14. Dispositif selon les revendications 1 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux cellules adjacentes, des moyens d'évacuation du liquide non magnétique d'une cellule communiquant avec des moyens d'introduction du liquide non magnétique de la cellule adjacente.
15. Dispositif selon la revendication 14 caractérisé en ce que deux cellules adjacentes possèdent une plaque commune.
16. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent au moins une matrice d'éléments électromagnétiques adressables et/ou commutables individuellement .
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