EP2097160A1 - Micro-dispositif de traitement d'échantillons liquides. - Google Patents

Micro-dispositif de traitement d'échantillons liquides.

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EP2097160A1
EP2097160A1 EP07847689A EP07847689A EP2097160A1 EP 2097160 A1 EP2097160 A1 EP 2097160A1 EP 07847689 A EP07847689 A EP 07847689A EP 07847689 A EP07847689 A EP 07847689A EP 2097160 A1 EP2097160 A1 EP 2097160A1
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EP
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electrodes
drop
liquid
edges
electrode
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EP07847689A
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Yves Fouillet
Laurent Davoust
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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    • B01F33/3031—Micromixers using electro-hydrodynamic [EHD] or electro-kinetic [EKI] phenomena to mix or move the fluids
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    • F04B19/006—Micropumps
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    • B01L3/5085—Rigid containers without fluid transport within for multiple samples, e.g. microtitration plates

Definitions

  • the invention relates to the field of the treatment of liquid samples, in particular by centrifugation or stirring of a drop of liquid.
  • the proposed invention also relates to the field of discrete microfluidics, preferably used for continuous microfluidics (in channels) as soon as pumps, valves, walls are freed from the walls necessary for the confinement of the flow. ... etc.
  • Discrete (or digital) micro-fluidics play an increasing role in the development of new micro-systems such as lab on chips, and many analysis steps can be performed in a chain using discrete micro-fluidics.
  • Molecules of biological or medical interest are for example transported within drops that pass between various analysis steps such as biochemical functionalization, the injection of biomolecules by heterogeneous mixture.
  • the proposed invention finds many applications in small scale mixing, small scale extraction, small scale separation or purification by centrifugation, concentration and then detection of biological targets, pumping in microfluidics, transmission of micro-fluidic movements, the rheological characterization of fluid samples in the form of liquid drops or gels.
  • the invention also relates to the field of purification of biological samples, and extraction of biological constituents.
  • chromatography is the most sensitive analytical technique currently available for assaying a substance in a biological sample.
  • Electrophoresis allows selective separation of biological molecules based on their electrical charge. But the miniaturization of the electrophoresis remains delicate since the medium allowing the migration of the constituents to be analyzed is a very viscous gel. Inserting and then handling a gel in a lab on chips analysis chain is difficult to implement.
  • centrifuges exploited in biology, biochemistry or in the medical diagnosis to isolate constituents or purify biological samples, they consist of a shaft carrying a special rotor, all driven by a powerful motor.
  • the rotor has locations, symmetrically located on either side of the axis, which can receive small test tubes containing the biological preparations to be analyzed or purified. The whole is enclosed in a tank, sealed during rotation, for security reasons.
  • the proposed invention is a solution to two problems posed by current centrifuges: - the imbalance of the rotor to compensate permanently, and the difficulty of miniaturization since the centrifugal acceleration is also proportional to the radius of gyration.
  • the present invention uses the setting in motion of fluid in a drop, which is itself at rest.
  • the proposed invention applies to liquid inclusions, not in motion as in electrowetting techniques, but at rest (in static position).
  • a liquid inclusion is centered on an EHD chip ("electrohydrodynamic") also object of the invention.
  • EHD chip electrohydrodynamic
  • This allows to generate an intense and organized movement, or brewing, to the interior of the drop and optionally outside, in the external fluid to the drop, for example if it and the EHD chip are covered with a viscous fluid, the drop being in a static position and not deforming .
  • there is no block displacement or interfacial deformation of the liquid inclusion A movement, or displacement, before or after the brewing operation can take place, to bring the drop or the liquid inclusion in the brewing place or to move away after brewing.
  • Viscosities are a kind of relay of the interfacial tangential impulse.
  • the centrifugation according to the invention thus allows microfluidic miniaturization.
  • R measures the centrifugation relative to the gravity or gravity, u ⁇ being the centrifugation speed) to be achieved: at first sight, more wide length of the liquid sample is small (case of micro-systems), the more it seems difficult to achieve significant centrifugation intensities.
  • the present invention makes it possible to overcome this difficulty and retains most of the advantages associated with centrifugation as an analysis technique, in particular a biological one, while allowing its miniaturization and the associated advantages:
  • a device is a device for forming at least one circulating flow, or vortex, on the surface of a drop of liquid, comprising at least two first electrodes forming a plane and having edges in view one on the other hand, such that the line of contact of a drop, deposited on the device and fixed with respect thereto, has a tangent projecting in the plane of the electrodes an angle strictly comprised between 0 ° and 90 ° with the edges facing each other of the electrodes.
  • the shape of the electrodes makes it possible to promote the existence of fluids, the contours facing the electrodes being neither totally tangent nor totally perpendicular to the triple line.
  • tangential interfacial movement is induced by the electric field, despite the smallness of the liquid sample, by the application of a tangential electric stress at the interface of a liquid sample, in the zones situated above the electrode interface areas.
  • the angle, strictly between 0 ° and 90 °, between the tangent to the triple line (or its projection) and the edges facing each other of the electrodes, may advantageously be between 40 ° and 50 ° for example equal to substantially 45 °.
  • the edges of the electrodes facing each other can be for example in the form of zig-zag or logarithmic spiral form.
  • the electrodes are for example 2, 4, or 8.
  • edges of the electrodes making, with the projection of the line of contact, an angle strictly between 0 ° and 90 °, alternate with edges of electrodes making an angle of 90 ° with this same projection.
  • Means may be provided to activate and deactivate, successively, the electrodes. According to a particular embodiment, this activation and deactivation successively in time takes place at high frequency, greater than 100 Hz.
  • Space separation of the edges of the electrodes facing each other can be alternately (by traversing the electrodes in their plane, in the direction of clockwise or in the opposite direction) a first value and a second value, less than the first.
  • a second set of electrodes may be located opposite, parallel to the first electrodes.
  • this second set of electrodes also forms a device according to the invention.
  • a device according to the invention may further comprise a counter-electrode shaped tip.
  • the invention also makes it possible to produce a pumping device comprising at least one device according to the invention, as described above, and means for bringing a second fluid into contact with a drop of liquid disposed on the device.
  • a pumping device comprising at least one device according to the invention, as described above, and means for bringing a second fluid into contact with a drop of liquid disposed on the device.
  • Such a device may comprise a plurality of devices according to the invention.
  • the invention thus makes it possible to micro-pump secondary flows or to accelerate micro-fluidic flows by setting up one (or more) micro-gear (s) consisting of one (or more) liquid inclusion (s) surrounded by a secondary and continuous liquid phase.
  • micro-gear s
  • the present invention is distinguished by the use of a fluid interface which causes a tangential movement of interfacial origin. The flow rate thus obtained is much higher than most current micropumps and accidental physicochemical contamination due to the presence of walls is avoided.
  • the proposed invention also makes it possible to produce apparatus such as a mini-stirrer, or an analytical mini-centrifuge, or a mini-emulsifier, or a micro-centrifuge, or a mini-rheometer.
  • a mini-rheometer measures viscosity and elasticity by measuring or visualizing flow velocity fields.
  • the fluid in the proposed invention, is a viscous shear of interfacial and dielectric origin, in the proposed invention, a flow can be pumped whether or not there are thermal, chemical or ionic gradients,
  • the proposed invention also has the following advantages: - a non-destructive and isothermal character: the involved liquid inclusion can therefore contain fragile constituents, which can be denatured with temperature or under the effect of ionic forces,
  • the capacity to generate, within a liquid inclusion of typically millimeter size, an intense rotational or stirring movement is of the order of 10 or 100,
  • the chip as well as the pulling techniques applied to the apex of the liquid inclusion proposed in the invention allow the specific selection of constituents after microfluidic concentration for the purpose of extraction, analysis or analysis. a posteriori detection.
  • the invention also relates to a method of forming at least one circulating flow or vortex in a drop of liquid in a surrounding medium, having different dielectric properties and / or different resistivities with respect to each other, comprising the following steps:
  • the applied field is oblique with respect to the liquid droplet - surrounding environment.
  • the volume of the drop may vary with time.
  • One or more circulating flows or one or more vortices may be generated in the drop.
  • the invention also relates to a process for microfluidic concentration by mixing or centrifuging a drop of liquid, in particular for detecting antibodies, or antigens, or proteins or protein complexes, or DNA or
  • RNA comprising carrying out a method of forming at least one circulating or vortex flow in said drop of liquid according to a method according to the invention.
  • a detection step can be performed, after mixing or centrifugation, without displacement of the drop.
  • a liquid extraction stage of the drop may moreover be provided. Then it is possible to transfer the extracted liquid to a detection zone.
  • the extraction step may be carried out by electrowetting or by emission of droplets from a Taylor cone.
  • the invention also relates to the formation of a microemulsion comprising:
  • a method of pumping a secondary fluid, according to the invention, with a drop of a primary fluid comprises the implementation of a method of forming at least one circulating or vortex flow in said drop of primary fluid according to a method as described above, and the pumping of the secondary fluid by contact with the primary fluid, the forces present at the primary fluid interface - secondary fluid for driving the secondary fluid.
  • An analyte extraction method of a drop of liquid according to the invention comprises:
  • a deactivation of the (at least) first two electrodes and the formation of a capillary bridge between the first insulating surface and a wall comprising at least one other electrode, the electrical activation of the first electrodes and of the other electrode, and the breaking of the capillary bridge.
  • a particle extraction method comprises the implementation of a method according to the invention as described above, the surrounding medium consisting of a second liquid containing particles which have previously sedimented on the surface. interface of the two liquids, then separating, for example by electrowetting, the lateral parts, containing the particles, and a central part of the drop.
  • FIGS. 1A and 1B show a geometry of the EHD system in the case of electrodes activated by an alternating electric potential difference.
  • FIG. 2 represents a segmented edge two-electrode EHD chip.
  • FIGS. 3 and 5 each represent a four-electrode EHD chip with segmented boundaries.
  • FIG. 4 represents an EHD chip with two electrodes with segmented boundaries.
  • - Figure 6 shows a drop of water placed on an EHD chip with two electrodes segmented at ⁇ 45 °.
  • FIGS. 7 to 9 each represent an electrode EHD chip whose internal boundaries are logarithmic spirals.
  • - Figures 10 and 11 each represent an electrode chip EHD whose internal boundaries are either straight segments or logarithmic spirals.
  • FIGS. 12A to 12C represent vertical extraction steps using a method according to the invention.
  • FIGS. 15A to 15D show extraction steps of another method according to the invention.
  • FIG. 16A and 16B each represent a device according to the invention, provided with trapping pads.
  • the invention can in particular implement crosslinked liquid inclusions whose size may for example vary between 10 microns and centimeter.
  • a liquid inclusion 12 is in a static position, placed symmetrically astride two electrodes 4, 6 (or more, in even or odd numbers), which can be brought to different, continuous or alternating electrical potentials ( figures IA, IB). These are, for example, electric potentials of the same absolute value but of opposite signs.
  • These electrodes rest on a substrate 3.
  • the drop may be separated from the electrodes by an insulating layer 10 and possibly by a hydrophobic layer 8. But the device can also function according to the invention without these layers 8, 10 , continuously or alternatively.
  • the liquid contact line 20 - layer 8 (or layer 10) - ambient medium 22 is called a triple line.
  • This line of contact in the form of a circle (but not necessarily), does not deform, which is an important contribution, as regards the performance of stirring or centrifugation.
  • Means 11 make it possible to apply between the two electrodes 4, 6 a difference in potential which gives rise to an oblique electric field with respect to the liquid 12 / liquid 22 or liquid 12 / gas interface 22.
  • This oblique field that is to say, neither totally tangent nor totally normal to the surface of the liquid inclusion 12, will allow an accumulation of electrical charges at the interface, and the creation of the momentum tangentially at the interface 12/22, amount of movement which, in turn, will cause currents 13, 15 internal to the drop, but no displacement of the drop itself.
  • These currents appear in the plane of FIG. 1A for the sake of clarity, but rather they are oriented in a plane parallel to the plane of electrodes 4, 6 or layers 8, 10.
  • An EHD chip according to the invention allows a mixture or a centrifugation not via the physical displacement of a drop by electrowetting but by the emergence of movements 13, 15 in the internal fluid to the drop and, optionally, in the external fluid to gout. These movements are generated by a viscous friction tangential to the surface of the considered inclusion.
  • the invention thus makes it possible to produce, within liquid inclusions 12, using electrohydrodynamics (EHD), a micro-flow 13, 15 or a drainage, or a mixture (or mixing) of controlled intensity, or centrifugation.
  • EHD electrohydrodynamics
  • the nature, the thickness, the technological implementation of the layers 8, 10 are for example similar to those of the EWOD technology, such as for example described in the article by Y.Fouillet et al. cited above or in WO 2006/005880 or FR 2 841 063.
  • the invention operates with various fluid couples 12/22 such as water / air, water / oil, water / chloroform ....
  • the ambient medium 22 is preferably rather insulating (air, oil ).
  • the drop 12 and the ambient medium 22 have different dielectric and resistive properties: different dielectric permittivities and / or different electrical conductivities; by way of example, mention may be made of the water / air or water / oil pairs, whose properties of dielectric permittivity and / or of electrical conductivity have the desired differences. For example with the water / oil pair or the water / air pair, the permittivity and conductivity jump is fully sufficient because the water is very strongly polarized (relative permittivity 80).
  • the drop spreads and its shape does not change anymore.
  • This voltage may for example vary from 0.1 V to 100 V or a few hundred V, for example 500 V.
  • electrowetting the drop is kept centered or astride above the various electrodes. It is thus possible to use holding studs, as explained below.
  • the normal component at the interface (also called the normal momentum balance) contributes to stably positioning the inclusion.
  • the stirring or centrifugation results in particular from the tangential components of the previous equilibrium (tangential momentum balances) and more particularly from the tangential component along the tangent ti to the line of contact 20 of the liquid inclusion 12 concerned.
  • the nature and the intensity of the mixture resulting from the internal currents 13, 15 can be controlled by controlling the vorticity level, the number and the size of the micro- or mini-vortex (s) generated within of the liquid inclusion.
  • the geometry of the drop of water 12 is close to a truncated sphere, the normal n is oriented along the radial coordinate r, the tangents t 1 and t 2 are oriented along the longitude ⁇ and the co-latitude ⁇ , respectively.
  • the dielectric permittivity ⁇ water and the dynamic viscosity ⁇ water in the drop of water 12 are much greater than their equivalents in the air 22 around the drop.
  • the latter are separated from each other by an electrically insulating contour 16 in the form of a zig-zag: the segments are alternated at approximately 45 ° for a drop of water, as illustrated. in figures IB, 2 or 3.
  • the periodicity (spatial) of the alternation, ⁇ can be optimized: it is preferable to take:
  • R radius of the drop (3)
  • R can vary between, for example, 0.1 mm and 10 mm.
  • ⁇ can therefore be between, for example, 0.01 mm and 1 mm.
  • ⁇ be the angle formed between the normal to the triple line 20 (contained in the so-called wetting plane), or its projection on the plane of the electrodes, and the edges 14, 16 of the electrodes.
  • the absolute value of ⁇ is strictly between 0 ° and 90 °. An optimum configuration corresponds to an angle close to 45 °.
  • this angle constraint is compatible with electrode edges having shapes such as, for example, zig-zag, or spiral.
  • An envelope calculation makes it possible to take into account the angular stress ⁇ and leads to boundaries 14, 16 of electrodes in the form of a logarithmic spiral (or equiangular spiral).
  • the median line separating the electrodes in their plane, or in the plane of the EHD chip, is described in polar coordinates by: where the symbol a is a homothetic factor.
  • FIG. 1B shows a point M of polar coordinates p and ⁇ in a plane parallel to the plane defined by the electrodes 4, 6.
  • the drop is arranged astride the electrodes. Locally, that is to say for two adjacent electrodes it is disposed on both sides of a direction ⁇ around which the electrode edges (zig-zag or spiral) oscillate, or which represents an average position electrode edges (see the direction ⁇ in Figures IB, 2, 7, but also the directions ⁇ and ⁇ 'in Figure 3).
  • a possible instability of the static position of the liquid inclusion 12 can be countered by means of a sufficiently fast rotating electric field (at more than 100 Hz), obtained by the successive activations and deactivations of the electrodes 4, 6 with which the sample interacts: indeed, the liquid sample is then subjected to a motor electrical stress which sweeps its periphery
  • the invention can be used for a stable volume 12, but also in the following different situations:
  • the liquid inclusions 12, which are the object of mixing or centrifugation, have a non-constant volume (diameters changing from 100 ⁇ m to 10 mm),
  • the drop 12 shrinks, or increases, under the effect of a phase change (interfacial mass transfer: evaporation / liquefaction), - after centrifugation, it may be useful to take a volume fraction of the liquid sample for purify it (extraction of a pellet or a supernatant), to extract constituents chemical or analytes ... etc. In this case, there is retraction of the drop after extraction.
  • a phase change internal mass transfer: evaporation / liquefaction
  • - after centrifugation it may be useful to take a volume fraction of the liquid sample for purify it (extraction of a pellet or a supernatant), to extract constituents chemical or analytes ... etc. In this case, there is retraction of the drop after extraction.
  • the invention therefore remains effective if the volume of the liquid sample 12 is random or if it changes over time as a result of one or more extractions or under the effect of
  • the invention allows easy integration within a lab-on-a-chip or a micro-system based on the displacement of liquid inclusions. Extraction techniques are proposed in the invention, which may for example implement means for moving drops by electrowetting, EWOD type, such as for example described in WO 2006/005880 or in the article by MG Pollack et al. . "Electrowetting based actuation of droplets for integrated microfluidics", Lab Chip, 2002, vol.2, p. 96-101.
  • An interelectrode space e equal to 20 ⁇ m can be considered.
  • the potential difference between two electrodes 4, 6 is typically set at 70V. If the surface of the liquid inclusion is sufficiently far from the inter-electrode space (thickness of the coating 8, 10 very large in front of e), the electric field lines emitted by two closely spaced electrodes adopt an axisymmetric geometry, and:
  • E (p) -, (6) ⁇ p
  • p denotes the distance between the median axis of the inter-electrode space and any point on the surface of the drop.
  • R defined above generated with two electrodes can vary between 1 for a viscous gel and 100 for water. This is particularly the case for a liquid sample that has a relative dielectric permittivity equivalent to that of water (high).
  • a first control parameter is the number of electrodes. With two electrodes 4, 6 vis-à-vis
  • the number of electrodes can be increased in order to produce a cascade of recirculations and thus to control a mixture that is all the more rapid and efficient, especially if it is a question of mixing chemical or biochemical reagents.
  • the increase in the number of electrodes leads to an increase in the number of inter-electrode spaces and therefore in the number of zones in which an oblique field occurs, motor of the mixing in the drop.
  • a second control parameter is the angle between the nip and the boundaries of the electrodes.
  • a second possibility is based on another control parameter, the inter-electrode spacing.
  • the inter-electrode spacing To obtain a net non-zero balance of all the electrical motor constraints imposed around the drop on its surface one can impose, once on two, a wider inter-electrode spacing, typically by a factor of 10, than the preceding or the following, as described below, in connection with FIG. 9.
  • the motor stress changes as the square of the imposed electric field which itself is proportional to the imposed potential difference and inversely proportional to the distance e between the electrodes buried under the insulating film, and inversely proportional to the thickness of the dielectric and hydrophobic films 8, 10.
  • the electrode boundaries are represented, in top view, in the form of a zig-zag at 45 ° (see in particular FIG. 2 and the triple line 20 '') with the tangent to the triple line 20 of gout.
  • the dashed circles 20, 20 ', 20' ' represent the triple line 20 which delimits the wetting area between the liquid sample and the surface of the EHD chip. They illustrate the possible variability of the liquid sample volumes 12, at various times t, t + dt, t + n. dt
  • FIG. 2 is an example of an EHD chip according to the invention, with two electrodes 4, 6 with segmented boundaries
  • FIG. 3 is an example of an EHD chip according to the invention, with four electrodes 4, 6, 24, 26 with segmented boundaries.
  • the circle (thick line) delimits the contact line 20 of the liquid sample 12.
  • the symbols E, E t and q s respectively denote the electric field in the inter-electrode space, the component from this field tangential to the triple line, and the electrical charge accumulated on the surface of the fluid sample under the effect of the normal jump of the electric field and the electrical characteristics (conductivity, dielectric permittivity).
  • FIG. 4 is an example of an EHD chip according to the invention, with two electrodes 4, 6 with segmented boundaries. Two co-rotating vortices 13, 16 (dashed) are potentially generated.
  • an EHD chip according to the invention has four electrodes 4, 6, 24, 26 with segmented boundaries. Four co-rotating vortices (dashed) are potentially generated.
  • Isolated constituents can also be extracted within a vortex in view of their subsequent elimination, biochemical characterization or detection.
  • FIGS. 7 and 8 show chips according to the invention, respectively with two or four electrodes 4, 6, 24, 26 optimized to take into account the volume variability of the liquid samples: the internal boundaries 30, 30 ', 32 ,, 32 'of the electrodes are logarithmic spirals.
  • the line 20 of contact (dashed) is circular.
  • the electric potentials (-) (+) are distinguished by their opposite signs: to two adjacent electrodes are applied opposite signs (except for an odd number of electrodes, for centrifugation, but this except for the rotating field).
  • the EHD chip of FIG. 9 has eight electrodes optimized to: take into account the volume variability of the liquid samples: the internal boundaries 30, 30 ', 32, 32', 34, 34 ', 36, 36' of the electrodes are logarithmic spirals, and force the presence of a single vortex for the purpose of centrifugation.
  • the thicker spirals 30 ', 32', 34 ', 36' signal an electrode boundary separation gap wider than the spirals 30, 32, 34, 36.
  • the nip 20 (dashed) is circular.
  • the electric potentials (-) and (+) are distinguished by the opposite signs of two neighboring electrodes.
  • the electrodes delimited by the electrode boundaries are alternately a positive potential and a negative potential.
  • the alternation of wider inter-electrode zones and less wide interelectrode zones makes it possible to significantly reduce, in the wider zones, the level of electrical stresses which otherwise would oppose the electrical motor stresses generated. by the smaller inter-electrode areas.
  • the EHD chip has four electrodes 4, 6, 24, 26 and 8 electrodes 4, 6, 24, 26, 44, 46, 64 and 66 respectively, optimized for:
  • the internal boundaries of the electrodes are alternately right segments and logarithmic spirals
  • each electrode brought to a certain potential, may itself be cut locally in a circular contour (segmented electrode). This cutting makes it possible to create an artificial roughness facilitating the attachment of the line of contact of the drop.
  • the portion of the electrode outside the contact line 20 can be deactivated, which can also stabilize the triple line by non-wetting.
  • FIGS. 10 and 11 allow a trapping of the triple line, because of the circular cutting of the electrodes.
  • Another interesting variant consists in stabilizing the position of the liquid sample by means of a difference in localized wettability at the level of the triple line.
  • Figures 16A and 16B show studs 80, for example resin. They are preferably positioned furthest from the inter-electrode spaces, or in the inter-electrode spaces for which the component Et is to be suppressed; these are the larger inter - electrode spaces than their neighbors or the inter - electrode spaces that are locally orthogonal to the triple line.
  • the pads 80 are made for example by photolithography of a thick resin layer (for example of thickness between 10 microns and 100 microns). In the case of FIG. 16A, the pads 80 make it possible to automatically center the drop in the center of the spiral.
  • FIG. 16B they make it possible to automatically center the drop in the center of the spiral, and each is placed astride two electrodes where locally the electrohydodynamic stress is suppressed.
  • a trapping of the triple line makes it possible to ensure the balance of the contact line 20 and to avoid any effect that may disturb the cohesion of the liquid sample 12 to be analyzed or treated. It also makes it possible to reinforce the stability of the static position of the drop 12.
  • a chip according to the invention can be made with known technologies, for example as described in the document Fouillet et al., 2006, already cited in the introduction to this application or in WO 2006/005880 or FR 2 841 063.
  • the drop is centered on the intersection of the inner edges of the electrodes
  • the invention can be applied to extract analytes concentrated at the apex of a liquid inclusion 12 under the effect of centrifugal or centripetal forces.
  • FIGS. 12a-12c show a three-stage extraction with two superposed horizontal walls: the lower horizontal wall is equipped with an EHD chip 2 according to the invention (according to one of the embodiments described in the present application) and the upper horizontal wall is equipped with an electrode 200, which is optionally an EHD chip according to the invention.
  • the implementation steps are then as follows: i) centrifugation step on the lower horizontal wall equipped with the EHD chip 2 (FIG. 12a), by activation of this chip, and deactivation of the electrode of the upper wall.
  • This first step makes it possible to promote the concentration of constituents at the apex (supernatant) or at the bottom, around the periphery of the liquid sample (pellet), depending on whether they are sensitive to centripetal or centrifugal forces, respectively.
  • Taylor cone may also be useful for extracting isolated analytes at the apex of a liquid sample after brewing or centrifugation according to the invention.
  • the liquid sample is placed on an EHD chip as proposed in the invention.
  • a counter-shaped electrode is located in the opposing wall, as explained in the articles cited above in this paragraph.
  • the operation can take place in three stages.
  • the first step is to centrifuge the liquid sample to cause the microfluidic concentration of target constituents.
  • the second step is to modify this action for a short time while carrying all the electrodes of the lower chip at the same potential while the upper electrode in the form of tip is brought to a very different potential.
  • a capillary bridge is formed with the upper wall and in this case, the destabilization of the capillary bridge can be facilitated by activating a wider area of electrodes at the upper wall; it is therefore brought back to the previous technique, or there is ejection of one or more drops (electro-spray, as explained in the articles of Taylor, Ramos and Ganan-Calvo cited above).
  • the constituents sediment and are concentrated in the form of a pellet in the residual bottom drop, or they supernatant and are then contained in the droplet or drops ejected by the Taylor cone. If these drops do not coalesce immediately (they have a similar electrical charge), their fusion can be facilitated later by electrowetting along the top wall.
  • FIG. 13 represents a micro-pump implementing, for example, a four-electrode EHD chip (as for example in FIG. 10, but another number of electrodes is possible).
  • a fluid inlet 72 makes it possible to introduce a secondary fluid 12 'into a cavity or a reactor 74 containing an EHD device according to the invention, here with 4 electrodes. Liquid inclusion primary 12 undergoes a treatment as already described above, without overall displacement. The surface forces in motion cause the secondary fluid 12 'by viscosity as described above, in accordance with the invention.
  • a micro-pump according to the invention can be applied to a cooling process in microelectronics (for processors), or the dispensing of small quantities of drugs (pharmacology, galenic), or the micro-propulsion of objects (in exploration space).
  • the speed range for mixing is considerably wider compared to conventional micropumps.
  • the invention makes it possible in particular to reach a speed of at least 0.1 m / s or 1 m / s.
  • the index i indicates that the quantity is evaluated at the interface, on the side of the primary fluid (p) or the secondary fluid (s).
  • the drive of the secondary fluid is therefore more effective than its viscosity is low and yet higher than that of the primary fluid ( ⁇ p ⁇ s ).
  • a first drop 12 it is also possible, from a first drop 12, to cause stirring or centrifugation in another drop by viscous drive even if the latter has a dielectric permittivity or electrical conductivity similar to those of the continuous liquid phase constitutive of the external medium.
  • the ratio of reduction or amplification is programmable by adjusting the viscosity or diameter ratios between continuous liquid phase and drops.
  • FIG. 14 shows a micro-fluidic gear involving, for example, two EHD chips 200, 202, preferably optimized (for example of the four-electrode type: FIG. 10), with their respective liquid inclusions 12, 112, one of characteristics: diameter dl and viscosity ⁇ l and the other of characteristics: diameter d3 and viscosity ⁇ 3. More EHD chips and liquid embedding can be implemented.
  • a secondary liquid phase 212, viscosity ⁇ 2 circulates between the primary liquid inclusions 12, 112 through the movements of the latter, one in the direction of clockwise, the other in the opposite direction.
  • the primary phase is for example a liquid sample placed on a chip according to the present invention.
  • a movement of electrical origin is generated at the p / s interface which propagates within the secondary liquid via the viscosity. Therefore, at the s / t interface, there are two cases:
  • a device of the micro-gear type according to the invention may comprise a series of inclusions, each resting on an EHD chip and connected to one another via the secondary liquid: in this case, such a micro-fluidic micro-gear amplifying the internal flows. and external to the inclusions is close to an amplification system.
  • the secondary fluid and the fluid of each of the drops or inclusions have different dielectric permittivities and / or different electrical conductivities.
  • this embodiment achieves a large number of G in one of the liquid inclusions participating in the chain ( Figure 14).
  • the viscosity ratios of the fluids, the diameter ratios of the various inclusions involved, the number and the level of the electrical motor stresses applied to the various interfaces are all parameters that contribute to the overall amplification of the flows and that can be adjusted to optimize the flow. system.
  • the present invention therefore makes it possible to generate a volume movement within a sufficiently viscous liquid sample via one or more electrical stresses exerted on its surface. If the liquid sample 12 is surrounded by another liquid 22, also viscous, the amount of movement induced by the surface electrical stress diffuse not only in the liquid internal to the liquid sample 12 but also in the external fluid 22. It is therefore possible to drive a secondary fluid in motion by means of a primary fluid adopting the form: either of one or more drops placed on one or more chips (FIGS. 13 or 14), or of a Capillary bridge trapped between two chips ( Figure 12a-12c),
  • a micro-pump according to the invention may comprise a single inclusion of liquid embedded in a secondary fluid
  • Figure 13 or several liquid inclusions embedded in a secondary fluid (Figure 14).
  • the latter may be set in motion by a gear mechanism which may be referred to as an interfacial viscous friction micro-fluidic gear.
  • Another embodiment of a process according to the invention comprises the steps of: centrifugation or microfluidic concentration,
  • FIGS. 15A-15D A particular embodiment of this method is illustrated in FIGS. 15A-15D.
  • the surrounding medium 22 consists of a second liquid, for example a second drop, immiscible with the first, containing particles 23. These particles 23 will gradually settle on the interface 12-22 (FIG. 15C).
  • the setting in motion of this interface according to the invention, thus with the aid of electrodes having the characteristics already described above, without displacement of the drop 12, causes a displacement of the particles 23 along the interface 12-22 and their grouping on the edges of the drop 12.
  • the lateral parts, containing the particles 23, are separated from the central part of the drop 22, for example by electrowetting cutoff, one or more of the electrodes situated between the one or more lateral parts and the central electrodes being deactivated. .
  • the two drops are represented between, on the one hand, a substrate 3 on which is formed a device according to the invention and, on the other hand, a substrate 3 'of confinement.
  • Microscale rheological instrumentation is an area of application of the invention.
  • Micro-rheometers based on electrokinetics are currently in the development phase (Juang, Yi-I, 2006, Electrokinetics-based Micro Four-Roll MiIl 1 http: / / www.chambeng.ohio-s.ed.edu / facultypages / leeresearch / 154RollMill -hem).
  • the proposed invention which is based on electrodynamics, makes it possible, for example, to generate four or two vortices within a liquid or gelled sample in order to obtain a purely elongational or purely sheared flow. Measurements of viscoelastic parameters can therefore be made with the invention using speed measurements made for example by video acquisition.
  • a device according to the invention can be included in new micro-systems or on-chip laboratories, for the purpose of preparing biological samples before further analysis steps.
  • PCR a process of amplification of the DNA strands present in a liquid sample.
  • PCR is commonly developed in micro-systems (Kopp-MU, de-Mello-AJ, Manz-A, 1998, Chemical amplification: continuous-flow PCR on a chip, Science, 280, 5366, pp.1046-1048; Zhan-Z; Dafu-C-Y Zhongyao, Li W-Biochip for PCR amplification in silicon, 2000, st Annual International IEEE EMBS Special Topic Conference is Microtechnologies in Medicine and Biology Proceedings.. (Cat No.00EX451.) IEEE, Piscataway, NJ, USA, pp.
  • PCR requires the preparation or purification of biological samples.
  • the ELISA test is another widespread detection technique, such as immunoanalysis or viral load determination by nucleic acid assay, intended to detect and / or assay an antigen present in a fluid biological sample.
  • the ELISA test practiced in homogeneous or heterogeneous phase, has the advantage of being fast and inexpensive.
  • a first technique consists in hybridizing the target DNA segments with functionalized paramagnetic nanobeads responsible for vectorizing these segments to a functionalized solid interface for detection purposes.
  • This concentration process can be based on a magnetic process, the target DNAs are eluted (by increasing the temperature above 50 ° C.) and hybridize on the functionalized solid surface before the detection phase (Marrazza, G ., Chianella, I. and Mascini, M., 1999, Disposable DNA Electrochemical Sensor for Hybridization Detection, Biosensors & Bioelectronics, 14, 1, pp.
  • the present invention makes it possible to accelerate the hybridization kinetics while being compatible with a miniaturization constraint. It also makes it possible to concentrate by centrifugation the functionalized beads for a more sensitive detection. It is then applied as explained in document FR 01 11883.
  • Another possibility consists in hybridizing target DNA strands at a liquid / gas or liquid / liquid interface functionalized by probes (Picard, C. & Davoust, L., 2005, Optical investigation of a wavy aging interface, Colloids & Surfaces A: Physichem Eng Aspects, 270-271, pp. 176-181, Picard, C. & Davoust, L., 2006, Dilational rheology of an air-water interface functionalized by biomolecules: the role of surface diffusion , Rheologica Acta, 45, pp.
  • the present invention can be applied in two stages: it can be used to purify / prepare a liquid biological sample and then be used one last time by allowing a microfluidic type concentration.
  • the invention makes it possible to locally concentrate ⁇ receptor-bound analyte ⁇ complexes in order to further increase the detection performance.
  • An application of the invention therefore is especially the microfluidic concentration by mixing or centrifugation for facilitated detection of antibodies, antigens, protein or protein complexes, DNA or RNA.
  • the fluids used are based on aqueous solutions.
  • the ambient environment may be air or a pure oil.
  • the detection can be carried out directly in situ at the level of the concentration zone or be the subject of a subsequent step after extraction by selective tearing of said concentration zone.
  • the invention also makes it possible to improve the performance of PCR or PMCA for the detection of DNA or proteins.
  • an EHD chip according to the invention can be optimized to take into account a variability of sample volumes (for example by a logarithmic spiral-shaped electrode chip, as illustrated in FIGS. 7-11).
  • a microemulsion can also be achieved by promoting the coalescence of two electrowetting displacement inclusions and then producing a mixture using the present invention. PCR can then be performed directly on the emulsion thus obtained.
  • the emulsion may also make it possible to eliminate certain unnecessary components by adsorption at the interfaces for biological purification.
  • Two immiscible liquid inclusions can fuse with each other by the electrowetting technique, as described in the Y.Fouillet document already mentioned above.
  • the invention then makes it possible to generate a two-phase mixture such as a foam or an emulsion (micro-foam, microemulsion), in order to facilitate sequencing, or the purification of biomolecules or even the extraction of colloids by capture at liquid / gas (foam) or liquid / liquid (emulsion) interfaces.
  • a two-phase mixture such as a foam or an emulsion (micro-foam, microemulsion)

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de formation d'au moins un écoulement circulant, ou vortex, à la surface d'une goutte de liquide, comportant au moins deux premières électrodes (4,6) formant un plan et présentant des bords (14, 16) en regards l'un de l'autre, tels que la ligne de contact (20) d'une goutte (2), déposée sur le dispositif et fixe par rapport à celui-ci, ait une tangente faisant, 15 en projection dans le plan des électrodes, un angle compris strictement entre 0° et 90° avec les bords en regards l'un de l'autre des électrodes.

Description

MICRO-DISPOSITIF DE TRAITEMENT D'ECHANTILLONS LIQUIDES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR
L' invention concerne le domaine du traitement d'échantillons liquides, en particulier par centrifugation ou brassage d'une goutte de liquide.
Elle s'applique notamment à la préparation ou à la purification d'échantillons biologiques et chimiques, aux domaines du diagnostic biomédical, de la biologie moléculaire, du retraitement des effluents, éventuellement radioactifs (extraction d' actinides) , et plus généralement, à tous les domaines scientifiques, technologiques et industriels qui impliquent l'extraction sélective de macromolécules, organites, actinides, colloïdes ou particules solides à partir d'un échantillon liquide se présentant sous la forme d'une goutte ou d'une flaque (inclusions liquides). L'invention proposée concerne aussi le domaine de la micro-fluidique discrète, utilisée préférentiellement à la micro-fluidique continue (en canaux) dès lors qu'on s'affranchit de pompes, de vannes, des parois nécessaires au confinement de 1' écoulement...etc .
En effet, tous ces éléments contribuent à des contaminations physicochimiques pariétales ainsi qu'à des écoulements capillaires intrinsèquement lents en dépit de la forte puissance mise en jeu dans le pompage (importantes pertes de charge) .
La micro-fluidique discrète (ou digitale) joue un rôle croissant dans le développement de nouveaux micro-systèmes tels que les lab on chips, et de nombreuses étapes d'analyse peuvent être réalisées en chaîne à l'aide de la micro-fluidique discrète.
Des molécules d' intérêt biologique ou médical sont par exemple transportées au sein de gouttes qui transitent entre diverses étapes d'analyse telles que la fonctionnalisation biochimique, l'injection de biomolécules par mélange hétérogène
(coalescence de gouttes) , le pipetage ou la fragmentation localisée de gouttes...etc .
L' invention proposée trouve de nombreuses applications dans le mélange à petite échelle, l'extraction à petite échelle, la séparation ou la purification par centrifugation à petite échelle, la concentration puis la détection de cibles biologiques, le pompage en micro-fluidique, la transmission de mouvements en micro-fluidique, la caractérisation rhéologique d'échantillons fluides sous forme de gouttes liquides ou en gels. L'invention concerne également le domaine de la purification d'échantillons biologiques, et de l'extraction de constituants biologiques.
Les techniques de purification les plus reconnues en biologie sont la chromatographie, 1' électrophorèse et la centrifugation ; elles sont majoritairement pratiquées à échelle macroscopique (de quelques centimètres à quelques mètres) .
Couplée à des détecteurs performants, la chromatographie est la technique d' analyse la plus sensible existant actuellement pour doser une substance dans un échantillon biologique.
Cette technique d'analyse est certes l'une des plus sensibles mais sa miniaturisation s'avère très délicate à mettre en œuvre en particulier à cause du milieu poreux qui se trouve mis en jeu ; c'est là son principal inconvénient. La réalisation d'un microsystème intégrant la chromatographie est aléatoire et la préparation en amont de l'échantillon liquide reste en suspens .
L ' électrophorèse permet une séparation sélective de molécules biologiques en se basant sur leur charge électrique. Mais la miniaturisation de l' électrophorèse demeure délicate puisque le milieu permettant la migration des constituants à analyser est un gel très visqueux. L'insertion puis la manipulation d'un gel dans une chaîne d' analyse de type lab on chips est difficile à mettre en œuvre.
En ce qui concerne les centrifugeuses actuelles, exploitées en biologie, biochimie ou dans le diagnostic médical pour isoler des constituants ou purifier des échantillons biologiques, elles sont constituées d'un axe portant un rotor spécial, l'ensemble étant entraîné par un moteur puissant. Le rotor porte des emplacements, situés symétriquement de part et d'autre de l'axe, qui peuvent recevoir des petits tubes à essais contenant les préparations biologiques à analyser ou purifier. L'ensemble est enfermé dans une cuve, scellée pendant la rotation, pour des raisons de sécurités.
L' invention proposée est une solution à deux problèmes que posent les centrifugeuses actuelles: - le déséquilibre du rotor à compenser en permanence, - et la difficulté de miniaturisation puisque l'accélération centrifuge est également proportionnelle au rayon de giration.
Le document de Y. Fouillet et al. « EWOD digital microfluidics for a lab on a chip », Proceedings of the ASME, 4th Int. Conf. On Nanochannels, Microchannels and Minichannels, June 19-21, 2006, Limerick, Ireland, illustre une possibilité de mettre en mouvement un fluide en mettant en oeuvre l' électrohydrodynamique (EHD). On utilise alors des forces électriques, pour créer des contraintes tangentielles d'origine électrostatique sur des gouttes activées sur un composant du type électromouillage . Dans ce type de dispositif, la goutte est fixe et la ligne triple ne se déplace pas, alors que des mouvements de convection interne sont observés.
Il se pose le problème de pouvoir optimiser ce phénomène grâce à une configuration d'électrodes appropriées et d'autre part de mettre en oeuvre ce phénomène pour différentes applications.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention utilise la mise en mouvement de fluide dans une goutte, qui est elle-même au repos.
L'invention proposée s'applique à des inclusions liquides, non pas en mouvement comme dans les techniques d' électromouillage, mais au repos (en position statique) . Une inclusion liquide est centrée sur une puce EHD («électrohydrodynamique») également objet de l'invention. Celle-ci permet d'engendrer un mouvement intense et organisé, ou de brassage, à l'intérieur de la goutte et éventuellement à l'extérieur, dans le fluide externe à la goutte, par exemple si celle-ci et la puce EHD sont recouvertes d'un fluide visqueux, la goutte étant en position statique et ne se déformant pas. En particulier, il n'y a aucun déplacement en bloc ni aucune déformation interfaciale de l'inclusion liquide. Un mouvement, ou un déplacement, antérieur ou postérieur à l'opération de brassage peut avoir lieu, pour amener la goutte ou l'inclusion liquide sur le lieu du brassage ou pour l'en éloigner après brassage.
Le seul mouvement est dû à l'interface de la goutte et du milieu extérieur ; les particules qui constituent cet interface se déplacent tangentiellement à celui-ci de sorte qu'il ne se déforme pas (il y a un mouvement de balayage le long de l'interface).
La géométrie de la goutte reste donc fixe et le mouvement ainsi engendré le long de l'interface est communiqué aux phases fluides internes, et éventuellement externes, à la goutte par les viscosités propres à chacune de ces phases fluides. Les viscosités font en quelque sorte le relais de l'impulsion tangentielle interfaciale.
Aucun gel électrophorétique ou milieu poreux n'est mis en jeu, la centrifugation selon l'invention permet donc une miniaturisation micro- fluidique .
Cependant, pour les micro-systèmes, un uφ problème réside dans le nombre de G (=——Ig , nombre qui
R mesure la centrifugation rapportée à la pesanteur ou à la gravité, uφ étant la vitesse de centrifugation) qui doit être atteint : à première vue, plus l'échelle de longueur de l'échantillon liquide est petite (cas des micro-systèmes), plus il semble difficile d'atteindre des intensités de centrifugation significative. La présente invention permet de surmonter cette difficulté et conserve l'essentiel des avantages associés à la centrifugation en tant que technique d'analyse, notamment biologique, tout en permettant sa miniaturisation et les avantages associés :
- la manipulation de petits échantillons biologiques,
- l'implication de faibles volumes de réactifs,
- la portabilité,
- et l' implémentation dans un laboratoire sur puce ou un micro-système basé sur la micro- fluidique digitale.
Ces avantages sont également conservés s'il s'agit d'appliquer l'invention à la concentration micro-fluidique en goutte appliquée à la détection de cibles biologiques.
Un dispositif selon l'invention est un dispositif de formation d'au moins un écoulement circulant, ou vortex, à la surface d'une goutte de liquide, comportant au moins deux premières électrodes formant un plan et présentant des bords en regards l'un de l'autre, tels que la ligne de contact d'une goutte, déposée sur le dispositif et fixe par rapport à celui- ci, ait une tangente faisant, en projection dans le plan des électrodes, un angle compris strictement entre 0° et 90° avec les bords en regards l'un de l'autre des électrodes .
Selon l'invention la forme des électrodes permet de favoriser l'existence de circulations de fluides, les contours en regard des électrodes n'étant ni totalement tangents ni totalement perpendiculaires à la ligne triple.
Selon l'invention on induit, par champ électrique, un mouvement interfacial tangentiel -malgré la petitesse de l'échantillon liquide- grâce à l'application d'une contrainte électrique tangentielle à l'interface d'un échantillon liquide, dans les zones situées au-dessus des zones d'interfaces d'électrodes. L'unique source de dissipation d'énergie, dès lors que l'inclusion liquide est stabilisée en position statique par accrochage de sa ligne triple et/ou par électromouillage, provient de la viscosité volumique
(il n'y a pas de dissipation d'énergie par déplacement de ligne triple) . La présence voisine d'une paroi solide sur laquelle l'inclusion liquide est déposée ou bien de deux parois solides entre lesquelles l'inclusion est prise en sandwich (pont capillaire), engendre un cisaillement visqueux dissipatif qui équilibre le terme moteur interfacial d'origine électrique .
L'angle, compris strictement entre 0° et 90°, entre la tangente à la ligne triple (ou sa projection) et les bords en regards l'un de l'autre des électrodes, peut être avantageusement compris entre 40° et 50°, par exemple égal à sensiblement 45°.
Les bords des électrodes en regards l'un de l'autre peuvent être par exemple en forme de zig-zag ou en forme de spirale logarithmique. Les électrodes sont par exemple au nombre de 2, 4, ou 8.
Préférentiellement les bords des électrodes, faisant, avec la projection de la ligne de contact, un angle compris strictement entre 0° et 90°, alternent avec des bords d'électrodes faisant un angle de 90° avec cette même projection.
Des moyens peuvent être prévus pour activer et désactiver, successivement, les électrodes. Selon un mode de réalisation particulier, cette activation et désactivation successivement dans le temps a lieu à haute fréquence, supérieure à 100 Hz.
Des espaces de séparation des bords des électrodes en regards l'un de l'autre peuvent être alternativement (en parcourant les électrodes dans leur plan, dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens inverse) d'une première valeur et d'une deuxième valeur, inférieure à la première. Peuvent en outre être prévus des moyens de piégeage de la ligne triple, qu'une goutte posée sur le dispositif définit avec celui-ci.
Un deuxième ensemble d'électrodes peut être situé en face, parallèlement aux premières électrodes. Par exemple ce deuxième ensemble d'électrodes forme lui aussi un dispositif selon l'invention.
Il est donc possible d'utiliser deux puces
EHD aux extrémités inférieure et supérieure d'un pont capillaire . Un dispositif selon l'invention peut en outre comporter une contre-électrode en forme de pointe .
L' invention permet également de réaliser un dispositif de pompage comportant au moins un dispositif selon l'invention, tel que décrit ci-dessus, et des moyens pour amener un deuxième fluide en contact avec une goutte de liquide disposée sur le dispositif. Un tel dispositif peut comporter une pluralité de dispositifs selon l'invention.
L' invention permet donc de réaliser le micro-pompage d'écoulements secondaires ou bien l'accélération d'écoulements micro-fluidiques par la mise en place d'un (ou plusieurs) micro-engrenage (s) constitué (s) d'une (ou plusieurs) inclusion (s) liquide (s) entourée (s) d'une phase liquide secondaire et continue. Dans des applications de type « micro- pompage », la présente invention se distingue par l'usage d'une interface fluide qui provoque une mise en mouvement tangentiel d'origine interfaciale. Le débit ainsi obtenu est bien supérieur à la plupart des micropompes actuelles et la contamination physico-chimique accidentelle due à la présence de parois est évitée.
L' invention proposée permet encore de réaliser des appareils tels qu'un mini-brasseur, ou un mini-centrifugateur analytique, ou un mini- émulsionneur, ou une micro-centrifugeuse, ou un mini- rhéomètre. Un mini-rhéomètre permet de mesurer la viscosité et l'élasticité par mesure ou visualisation des champs de vitesse de l'écoulement.
Parmi les avantages de produire, conformément à l'invention, un écoulement à l'aide d'une interface fluide interposée et d'un réseau d'électrodes, on peut citer les suivants :
- il n'est pas nécessaire que le fluide à entraîner soit ionique (contrairement aux micro-pompes électrocinétiques) : dans l'invention proposée, le mécanisme d'entraînement est un cisaillement visqueux d'origine interfaciale et diélectrique, - dans l'invention proposée, un écoulement peut être pompé qu'il y ait, ou non, des gradients thermiques, chimiques ou ioniques,
- une ou deux parois horizontales suffisent (à comparer aux micro-pompes mécaniques, piézoélectriques ou électrocinétiques) et les sources de contamination physico-chimique sont très réduites.
L' invention proposée présente en outre les avantages suivants : - un caractère non destructif et isotherme : l'inclusion liquide impliquée peut donc contenir des constituants fragiles, dénaturables avec la température ou sous l'effet de forces ioniques,
- la rapidité : avec l'invention, il suffit de quelques secondes ou minutes pour que le brassage ou la centrifugation engendre une sédimentation ou une flottation de constituants,
- une grande simplicité de mise en œuvre ainsi qu'une possibilité d'asservissement, - la capacité à engendrer au sein d'une inclusion liquide de taille typiquement millimétrique un mouvement de rotation ou de brassage intense. Le nombre de G atteint dans les expériences effectuées avec des puces selon l'invention, non encore optimales, est de l'ordre de 10 ou 100,
- la puce ainsi que les techniques d'arrachage appliquées à l'apex de l'inclusion liquide proposées dans l'invention permettent la sélection spécifique de constituants après concentration micro- fluidique en vue d'une extraction, d'une analyse ou d'une détection a posteriori .
L' invention concerne également un procédé de formation d' au moins un écoulement circulant ou vortex dans une goutte de liquide dans un milieu environnant, présentant l'un par rapport à l'autre des propriétés diélectriques différentes et/ou des résistivités différentes, comportant les étapes suivantes :
- disposer la goutte sur, ou au-dessus de, au moins deux premières électrodes, présentant des bords en regards l'un de l'autre, la projection de la ligne circulaire de contact de la goutte sur le plan contenant les électrodes ayant une tangente faisant avec ces bords d'électrodes un angle compris strictement entre 0° et 90°,
- appliquer un champ électrique entre les deux électrodes. Le champ appliqué est oblique par rapport à l'interface goutte de liquide - milieu environnant.
Le volume de la goutte peut varier en fonction du temps.
Un ou plusieurs écoulements circulant ou un seul ou plusieurs vortex peuvent être engendré dans la goutte .
L' invention concerne aussi un procédé de concentration micro-fluidique par mélange ou centrifugation d'une goutte de liquide, notamment pour une détection d'anticorps, ou d'antigènes, ou de protéines ou de complexes protéiniques, ou d'ADN ou
ARN, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d' au moins un écoulement circulant ou vortex dans ladite goutte de liquide selon un procédé selon l'invention.
Une étape de détection peut être effectuée, après mélange ou centrifugation, sans déplacement de la goutte . Une étape d'extraction de liquide de la goutte peut par ailleurs être prévue. Ensuite il est possible de transférer le liquide extrait vers une zone de détection. L'étape d'extraction peut être réalisée par électromouillage ou par émission de gouttelettes à partir d'un cône de Taylor.
L' invention concerne également la formation d'une micro-émulsion comportant :
- un rapprochement par déplacement de deux volumes de liquides, destinés à former l'émulsion, l'un par rapport à l'autre, par exemple par électromouillage,
- une étape de mise en œuvre d'un procédé selon l'invention, tel que décrit ci-dessus. Un procédé de pompage d'un fluide secondaire, selon l'invention, par une goutte d'un fluide primaire, comporte la mise en oeuvre d'un procédé de formation d' au moins un écoulement circulant ou vortex dans ladite goutte de fluide primaire selon un procédé tel que décrit ci-dessus, et le pompage du fluide secondaire par contact avec le fluide primaire, les forces présentes à l'interface fluide primaire - fluide secondaire permettant l'entraînement du fluide secondaire . Un procédé d'extraction d' analyte d'une goutte de liquide selon l'invention comporte :
- la mise en oeuvre d'un procédé de concentration micro-fluidique selon l'invention,
- une désactivation des (au moins) deux premières électrodes, et la formation d'un pont capillaire entre la première surface isolante et une paroi comportant au moins une autre électrode, - l'activation électrique des premières électrodes et de l'autre électrode, et la coupure du pont capillaire.
Un procédé d'extraction de particules selon l'invention comporte la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention telle que décrite ci-dessus, le milieu environnant étant constitué d'un deuxième liquide contenant des particules qui ont préalablement sédimenté sur l'interface des deux liquides, puis séparation, par exemple par électromouillage, des parties latérales, contenant les particules, et d'une partie centrale de la goutte.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
- Les figures IA et IB représentent une Géométrie du système EHD dans le cas d'électrodes activées par une différence de potentiels électriques alternative .
- La figure 2 représente une Puce EHD à deux électrodes à frontières segmentées. - Les figures 3 et 5 représentent chacune une puce EHD à quatre électrodes à frontières segmentées .
- La figure 4 représente une puce EHD à deux électrodes à frontières segmentées. - La figure 6 représente une goutte d'eau posée sur une puce EHD à deux électrodes segmentées à ±45° .
- Les figures 7 à 9 représentent chacune une puce EHD à électrodes dont les frontières internes sont des spirales logarithmiques. - Les figures 10 et 11 représentent chacune une puce EHD à électrodes dont les frontières internes sont ou bien des segments droits ou bien des spirales logarithmiques . - Les figures 12A à 12C représentent des étapes d'extraction verticales à l'aide d'un procédé selon l'invention.
- Les figures 13 et 14 représentent chacune une application d'un dispositif selon l'invention. - Les figures 15A à 15D représentent des étapes d'extraction d'un autre procédé selon 1' invention .
- Les figures 16A et 16B représentent chacune un dispositif selon l'invention, muni de plots de piégeage.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans la suite de l'exposé, on désignera par le terme générique de constituants, toutes les espèces potentielles faisant l'objet de la présente invention (macromolécules, organites, actinides, colloïdes ou particules solides) .
L' invention peut notamment mettre en œuvre des inclusions liquides réticulées dont la taille peut par exemple varier entre 10 microns et le centimètre. Selon l'invention, une inclusion liquide 12 est en position statique, posée symétriquement à cheval sur deux électrodes 4, 6 (ou plus ; en nombre pair ou impair) , qui peuvent être portées à des potentiels électriques différents, continus ou bien alternatifs (figures IA, IB) . Ce sont par exemple des potentiels électriques de même valeur absolue mais de signes opposés. Ces électrodes reposent sur un substrat 3. Pour être compatible avec la technologie de déplacement par électromouillage (technologie EWOD) la goutte peut être séparée des électrodes par une couche isolante 10 et éventuellement par une couche hydrophobe 8. Mais le dispositif peut aussi fonctionner selon l'invention sans ces couches 8, 10, en continu ou en alternatif .
La ligne 20 de contact liquide - couche 8 (ou couche 10) - milieu ambiant 22 est appelée ligne triple. Cette ligne de contact, en forme de cercle (mais pas nécessairement) , ne se déforme pas, ce qui constitue un apport important, en ce qui concerne les performances de brassage ou de centrifugation .
Des moyens 11 permettent d'appliquer entre les deux électrodes 4, 6 une différence de potentiel qui donne naissance à un champ électrique oblique par rapport à l'interface liquide 12/liquide 22 ou liquide 12/gaz 22. Ce champ oblique, c'est-à-dire ni totalement tangent ni totalement normal à la surface de l'inclusion liquide 12, va permettre une accumulation de charges électriques à l'interface, et la création de la quantité de mouvement tangentiellement à l'interface 12/22, quantité de mouvement qui, à son tour, va entraîner des courants 13, 15 internes à la goutte, mais pas de déplacement de la goutte elle-même. Ces courants apparaissent dans le plan de la figure IA pour des raisons de clarté, mais ils sont plutôt orientés dans un plan parallèle au plan des électrodes 4, 6 ou des couches 8, 10. Le caractère oblique du champ résulte de la forme des bords d'électrodes en regard l'un de l'autre, comme expliqué plus loin. Entre les zones d'espace inter-électrodes, le champ est quasiment nul . Une puce EHD selon l'invention permet un mélange ou une centrifugation non pas via le déplacement physique d'une goutte par électromouillage mais par l'émergence de mouvements 13, 15 dans le fluide interne à la goutte et, éventuellement, dans le fluide externe à la goutte. Ces mouvements sont engendrés par un frottement visqueux tangentiel à la surface de l'inclusion considérée.
Le seul mouvement est dû à l'interface ; les particules qui constituent l'interface se déplacent tangentiellement à celui-ci de sorte qu' il ne se déforme pas (mouvement de balayage le long de 1' interface) .
L' invention permet donc de produire au sein d'inclusions liquides 12, à l'aide de 1' électrohydrodynamique (EHD), un micro-écoulement 13, 15 ou un drainage, ou un mélange (ou brassage) d'intensité contrôlée, ou une centrifugation.
Comme expliqué plus loin, il est possible d'engendrer un seul vortex, autrement dit une seule centrifugation. Ceci sera particulièrement intéressant pour les applications ciblées telles que la préparation des échantillons biologiques, la purification d'échantillons, ou encore l'extraction de constituants (tels que les macromolécules (ADN, ARN, protéines...) , les analytes, les colloïdes, les particules solides...etc) .
La nature, l'épaisseur, la mise en oeuvre technologique des couches 8, 10 sont par exemple similaires à ceux de la technologie EWOD, telle que par exemple décrite dans l'article de Y.Fouillet et al. cité ci-dessus ou bien dans le document WO 2006/005880 ou FR 2 841 063. L' invention fonctionne avec divers couples de fluides 12/22 tels que les couples eau/air, eau/huile, eau/chloroforme... etc. Le milieu ambiant 22 est de préférence plutôt isolant (air, huile...) . La goutte 12 et le milieu ambiant 22 (gaz ou liquide) présentent des propriétés diélectriques et résistives différentes : permittivités diélectriques différentes et/ou conductivités électriques différentes ; à titre d'exemple, on peut citer les couples eau/air, ou eau/huile, dont les propriétés de permittivité diélectrique et/ou de conductivité électrique présentent les différences souhaitées. Par exemple avec le couple eau/huile ou le couple eau/air, le saut de permittivité et de conductivité suffit pleinement parce que l'eau est très fortement polarisée (permittivité relative de 80).
Quand on applique une tension entre les deux électrodes 4, 6 on observe, dans un premier temps, un étalement de la goutte 12 en raison de la présence des forces liées à l' électromouillage .
Pour une tension alternative ou continue donnée la goutte s'étale et sa forme ne change plus. Cette tension peut par exemple varier de 0,1 V à 100 V ou à quelques centaines de V, par exemple 500 V. Par électromouillage la goutte est maintenue centrée ou à cheval au-dessus des différentes électrodes. On peut ainsi utiliser des plots de maintien, comme expliqué plus loin.
A l'interface goutte 12 - milieu 22, il y a une égalité vectorielle entre saut de contraintes visqueuses et saut de contraintes électriques tangentielles . Cette égalité traduit un équilibre en tout point de l'interface, équilibre qui possède trois composantes, projetées suivant le vecteur unitaire normal n à l'interface et suivant deux vecteurs unitaires tangents à cette interface, ti et t2.
La composante normale à l'interface (également appelée bilan normal de quantité de mouvement) contribue à positionner de manière stable 1' inclusion .
Le brassage ou la centrifugation résultent notamment des composantes tangentielles de l'équilibre précédent (bilans tangentiels de quantité de mouvement) et plus particulièrement de la composante tangentielle suivant la tangente ti à la ligne 20 de contact de l'inclusion liquide 12 concernée.
On peut contrôler la nature et l'intensité du mélange résultant des courants internes 13, 15 en pilotant le niveau de vorticité, le nombre et la taille du (ou des) micro- ou mini-tourbillon (s) engendré (s) au sein de l'inclusion liquide.
On peut donc engendrer des écoulements recirculants (ou vortex) en nombre et en intensité contrôlés dans et autour d'une inclusion liquide 12 déposée en position fixe sur une puce électrohydrodynamique. L'inclusion liquide n'est pas déformée au cours du procédé. Un brassage selon l'invention, par électrohydrodynamique, a été observé sous microscope
(figure 6) avec une goutte 12 d'eau sous air et des billes traceuses (diamètre 30mm) sélectives de l'interface (densité : 0.3). La goutte est posée symétriquement à cheval sur deux électrodes 4, 6 isolées de la goutte d'eau par un mince film diélectrique 10 (schéma de la figure IA) . Dans les expériences réalisées dans l'air, la composante tangentielle à l'origine du mouvement fluide se simplifie car l'air 22 autour de la goutte est considéré en première approximation comme neutre ; cette composante s'écrit explicitement à l'interface sous la forme,
\ )
La géométrie de la goutte d'eau 12 est proche d'une sphère tronquée, la normale n est orientée suivant la coordonnée radiale r, les tangentes ti et t2 sont orientées suivant la longitude Φ et la co-latitude θ, respectivement. La permittivité diélectrique εeau ainsi que la viscosité dynamique ηeau dans la goutte d'eau 12 sont beaucoup plus importantes que leurs équivalents dans l'air 22 autour de la goutte. Le mouvement de brassage, symbolisé par la composante azimutale de la vitesse, uφ , reste toujours tangentiel à la surface de l'inclusion liquide et n'engendre donc ni son déplacement ni sa déformation interfaciale. D'après (1), la contrainte électrique tangentielle à l'interface s'écrit : τrφ = εeaΕrEφ , ( 2 )
Cette contrainte est le moteur du brassage dans les fluides interne et externe à la goutte ou à l'inclusion liquide ; elle est proportionnelle au produit des deux composantes principales du champ électrique à l'interface au voisinage de la ligne de contact : les composantes normale et tangentielle, Er et Eφ respectivement. Par conséquent, pour un champ électrique E = Ern + Eφt1 disponible entre les électrodes 4, 6, le moteur du brassage ou de la centrifugation sera maximisé s'il y a égalité entre les deux composantes impliquées : Er =Eφ =E/V2. Il est donc préférable de choisir un angle proche de 45° entre la frontière dessinée par l'espace inter-électrodes 14, 16 et la tangente ti à la ligne de contact circulaire (ou la projection sur le plan des électrodes de cette ligne de contact) .
Selon un mode de réalisation des électrodes, celle - ci sont séparées l'une de l'autre par un contour 16 isolant électriquement en forme de zig-zag : les segments sont alternés à environ 45° pour une goutte d'eau, comme illustré en figures IB, 2 ou 3. La périodicité (spatiale) de l'alternance, λ, peut être optimisée: on préférera prendre :
R/10 < λ < R,
Où R = rayon de la goutte (3) Typiquement, R peut varier entre, par exemple, 0,1 mm et 10 mm. λ peut donc être comprise entre, par exemple, 0,01 mm et 1 mm.
Plus généralement, comme indiqué en figure IB, soit α l'angle formé entre la normale à la ligne triple 20 (contenue dans le plan dit de mouillage) , ou sa projection sur le plan des électrodes, et les bords 14, 16 des électrodes. La valeur absolue de α est comprise strictement entre 0° et 90°. Une configuration optimum correspond à un angle voisin de 45°.
Comme décrit ci-dessous, cette contrainte sur l'angle est compatible avec des bords d'électrode ayant des formes telles que par exemple en zig-zag, ou en spirale. Un calcul d'enveloppe permet de prendre en compte la contrainte angulaire α et conduit à des frontières 14, 16 d'électrodes en forme de spirale logarithmique (ou spirale équiangle) . La ligne médiane qui sépare les électrodes dans leur plan, ou dans le plan de la puce EHD, est décrite en coordonnées polaires par : où le symbole a est un facteur homothétique .
Sur la figure IB est représenté un point M de coordonnées polaires p et θ dans un plan parallèle au plan défini par les électrodes 4, 6.
Dans le cas d'une goutte d'eau entourée d'air (ou de vide) et posée sur une puce EHD optimisée de la sorte, on peut montrer que l'angle α optimal est proche de ±45° (figures 2, 3) .
Dans le cas particulier où le nombre d'électrodes est pair, la goutte est disposée à cheval sur les électrodes. Localement, c'est-à-dire pour deux électrodes voisines elle est disposée de part et d'autre d'une direction Δ autour de laquelle les bords d'électrodes (zig-zag ou spirale) oscillent, ou qui représente une position moyenne des bords d'électrode (voir la direction Δ sur les figures IB, 2, 7, mais aussi les directions Δ et Δ' en figure 3) .
Une éventuelle instabilité de la position statique de l'inclusion liquide 12 peut être contrée à l'aide d'un champ électrique tournant suffisamment vite (à plus de 100 Hz) , obtenu par les activations et désactivations successives des électrodes 4, 6 avec lesquelles l'échantillon interagit: en effet, l'échantillon liquide est alors assujetti à une contrainte électrique motrice qui balaie sa périphérie
(les applications successives d'une contrainte d'origine électrique dans les espaces inter-électrodes, distribués le long de la ligne triple, peuvent être modélisées par une contrainte mobile qui balaie l'interface au voisinage de la ligne triple). Si, donc, les vitesses d' activation et de désactivation sont suffisamment rapides, autrement dit si les contacteurs utilisés pour appliquer un champ tournant sont capables de fonctionner en haute fréquence (>100 Hz), deux avantages apparaissent : le nombre de G est accru, le déséquilibre statique de l'échantillon liquide sous l'effet de l' électromouillage peut être inhibé dès lors que la période de rotation du champ électrique est beaucoup plus petite que l'échelle de temps associée à la déformation interfaciale engendrée par électromouillage.
L' invention est utilisable pour un volume 12 stable, mais aussi dans les différentes situations suivantes :
- les inclusions liquides 12, objet du brassage ou de la centrifugation, ont un volume non constant (diamètres évoluant de lOOμm à 10mm) ,
- la goutte 12 se rétracte, ou croît, sous l'effet d'un changement de phase (transfert de masse interfacial : évaporation / liquéfaction) , - après centrifugation, il peut être utile de prélever une fraction volumique de l'échantillon liquide pour purifier celui-ci (extraction d'un culot ou d'un surnageant), pour extraire des constituants chimique ou bien des analytes ... etc . Dans ce cas, il y a rétraction de la goutte après extraction.
L' invention reste donc efficace si le volume de l'échantillon liquide 12 est aléatoire ou bien s'il évolue au cours du temps sous l'effet d'une ou plusieurs extractions ou bien sous l'effet de
1' évaporation par exemple.
L' invention permet une intégration aisée au sein d'un laboratoire sur puce ou d'un micro-système basé sur le déplacement d'inclusions liquides. Des techniques d'extraction sont proposées dans l'invention, pouvant par exemple mettre en œuvre des moyens de déplacement de gouttes par électromouillage, type EWOD, tel que par exemple décrit dans WO 2006/005880 ou dans l'article de M. G. Pollack et al. « Electrowetting based actuation of droplets for integrated microfluidics», Lab Chip, 2002, vol.2, p. 96-101.
On peut évaluer le nombre de G que l'invention permet d'obtenir en tant que centrifugeuse. D'après l'expression de la contrainte électrique motrice (2), un ordre de grandeur typique du champ de vitesse s'écrit, pour une goutte d'eau dans de l'air : eauT72 ué~^-^δ. (4)
2neau Si l'on désigne par δ l'épaisseur de fluide sur laquelle la quantité de mouvement induite par la contrainte électrique est dissipée, on a:
2 ηeaV εeauE2 : 5 )
On peut considérer un espace inter- électrodes e égal à 20μm. Dans des expériences menées sous microscope, la différence de potentiel entre deux électrodes 4, 6 est typiquement fixée à 70V. Si la surface de l'inclusion liquide est suffisamment éloignée de l'espace inter-électrodes (épaisseur du revêtement 8, 10 très grande devant e) , les lignes de champ électrique émises par deux électrodes très rapprochées adoptent une géométrie axisymétrique, et :
E(p) = — , (6) πp où p désigne la distance comprise entre l'axe médian de l'espace inter-électrodes et tout point de la surface de la goutte.
Considérons l'exemple d'une goutte d'eau millimétrique (R=I mm) caractérisée par une viscosité dynamique ηeau égale à 10~3 Pa ainsi qu'une permittivité diélectrique relative de 78.5 (permittivité du vide : 8.85 pF) . Entre la ligne de contact (p=0.1mm) et l'apex de la goutte (p=lmm) , le champ électrique est divisé d'un facteur 10.
Lors des visualisations menées à l'aide d'une caméra CCD, un effet filé ou de trace rémanente des particules, correspondant à une rotation complète des billes, correspond à un temps de fermeture de l'ordre de t≈ 0.01s. Par conséquent, pour la goutte millimétrique impliquée dans les expériences, l'ordre de grandeur du champ de vitesse est évalué expérimentalement à :
Finalement, d'après (5) et (6), l'échelle typique de longueur sur laquelle la quantité de mouvement induite diffuse sous l'effet de la viscosité (ou épaisseur de peau mise en mouvement) varie entre δ = 0,35 mm au voisinage de la ligne de contact et δ=3.5mm à l'apex de la goutte.
Le nombre de G (=——/g, expression déjà
R définie ci-dessus) engendré avec deux électrodes peut varier entre 1 pour un gel visqueux et 100 pour de l'eau. C'est le cas notamment pour un échantillon liquide qui a une permittivité diélectrique relative équivalente à celle de l'eau (élevée).
Plusieurs paramètres permettent le contrôle de la nature et de l'intensité du mouvement fluide. On peut ainsi réaliser plusieurs applications, depuis le mélange à la centrifugation .
Un premier paramètre de contrôle est le nombre d'électrodes. Avec deux électrodes 4, 6 en vis-à-vis
(comme sur la figure IB ou 2), deux sources de contraintes électriques motrices sont disponibles et s'opposent dans leurs effets quant au sens de la quantité de mouvement induite. Deux recirculations co- rotatives peuvent donc naître, comme illustré sur la figure 4, décrite plus loin.
Avec quatre électrodes, pour des raisons physiques analogues, quatre recirculations sont formées (figure 5) . On peut augmenter le nombre d'électrodes afin de produire une cascade de recirculations et contrôler ainsi un mélange d'autant plus rapide et efficace, en particulier s'il s'agit de mélanger des réactifs chimiques ou biochimiques. L'augmentation du nombre d'électrodes entraîne une augmentation du nombre d'espaces inter - électrodes et donc du nombre de zones dans lesquelles se produit un champ oblique, moteur du brassage dans la goutte.
Dans ce cas, le bilan net en terme d'apport de quantité de mouvement est croissant. C'est le cas notamment pour la puce à 8 électrodes de la figure 11.
Un deuxième paramètre de contrôle est l'angle entre la ligne de contact et les frontières des électrodes .
Que le nombre d'électrodes soit pair ou impair, lorsque l'objectif est la centrifugation, la question se pose de savoir comment éventuellement produire un seul écoulement tournant. Pour cela, une première possibilité (figure 11) repose sur l'annulation contrôlée de la composante azimutale du champ électrique, Eφ , de sorte que localement, la contrainte motrice τrφ = εeauErEφ s'annule (ligne de contact localement orthogonale au champ électrique imposé, tj-LE). Si l'angle entre la frontière des électrodes et la normale à la ligne de contact est alternativement égal à 90° et à 45° (c'est le cas si on parcourt le cercle 70 de la figure 11 dans un sens ou dans l'autre ; ce serait également le cas en figure 10), alors les seules contraintes électriques non nulles agissent toutes dans le même sens (figures 10, 11) . En modifiant l'angle α, la contrainte motrice τ. définie par (2) est modifiée, et donc l'intensité de centrifugation également.
Une deuxième possibilité est basée sur un autre paramètre de contrôle, l'espacement inter- électrodes. Pour obtenir un bilan net non nul de toutes les contraintes électriques motrices imposées autour de la goutte à sa surface on peut imposer, une fois sur deux, un espacement inter-électrodes plus large, typiquement d'un facteur 10, que le précédent ou le suivant, comme décrit plus loin, en liaison avec la figure 9. D'après les équations ci-dessus, la contrainte motrice évolue comme le carré du champ électrique imposé qui lui-même est proportionnel à la différence de potentiel imposée et inversement proportionnel à la distance e séparant les électrodes enterrées sous le film d'isolant, et inversement proportionnel à l'épaisseur des films diélectrique et hydrophobe 8, 10.
Sur les figures 2 à 5, les frontières d'électrodes sont représentées, en vue de dessus, sous formes de zig-zag, à 45° (voir en particulier la figure 2 et la ligne triple 20'') avec la tangente à la ligne triple 20 de la goutte.
Sur les figures 2 et 3, les cercles 20, 20', 20'' en pointillés représentent la ligne triple 20 qui délimite la zone de mouillage entre l'échantillon liquide et la surface de la puce EHD. Ils illustrent la variabilité possible des volumes d'échantillons liquides 12, à divers instants t, t + dt, t + n . dt
(n>l). Les potentiels électriques (-) et (+) , appliqués aux diverses électrodes, se distinguent par leurs signes opposés. Le symbole λ représente la périodicité de la segmentation, chaque segment étant incliné à ± 45° (goutte d'eau sous air) .
La figure 2 est un exemple d'une puce EHD selon l'invention, à deux électrodes 4, 6 à frontières segmentées, et la figure 3 est un exemple d'une puce EHD selon l'invention, à quatre électrodes 4, 6, 24, 26 à frontières segmentées. Sur les figures 4 et 5, le cercle (trait épais) délimite la ligne de contact 20 de l'échantillon liquide 12. Les symboles E, Et et qs désignent respectivement le champ électrique dans l'espace inter- électrodes, la composante de ce champ tangentielle à la ligne triple, et la charge électrique accumulée à la surface de l'échantillon fluide sous l'effet du saut normal du champ électrique et des caractéristiques électriques (conductivité, permittivité diélectrique) . La figure 4 est un exemple d'une puce EHD selon l'invention, à deux électrodes 4, 6 à frontières segmentées. Deux vortex 13, 16 co-rotatifs (en pointillés) sont potentiellement engendrés.
Sur la figure 5 une puce EHD selon l'invention dispose de quatre électrodes 4, 6, 24, 26 à frontières segmentées. Quatre vortex co-rotatifs (en pointillés) sont potentiellement engendrés.
La figure 6 représente une goutte d'eau 12 posée sur une puce EHD 2 selon l'invention, à deux électrodes segmentée à ±45° (structure de la figure 2) . Des micro-billes creuses de densité effective, p = 0 .3, sont utilisées comme traceurs dans l'interface. Au centre des deux vortex, on retrouve effectivement la présence de deux paquets 23, 25 de micro-billes agglomérées par effet centripète (figure 4).
Comme illustré par cette expérience, il est plus généralement possible d'isoler des billes, fonctionnalisées ou non, au cœur du vortex à la surface d'une goutte d'eau soumise à un brassage selon l'invention. L'invention proposée peut ainsi être appliquée à la préparation d'échantillons biologiques ou médicaux, à l'isolement d' analytes à des fins d'analyses ou de purification par concentration micro- fluidique au cœur ou bien à la périphérie d'un seul ou de plusieurs vortex s'il s'agit d'un brassage plus évolué .
On peut en outre extraire des constituants isolés au sein d'un vortex dans la perspective de leur élimination, ou de leur caractérisation biochimique ou de leur détection ultérieures.
Dans le contexte de l'extraction de constituants (extractants) d'une phase liquide donneuse à une phase liquide ou gazeuse réceptrice, l'invention proposée peut permettre d'accélérer le transfert interfacial d' extractants par production d'un mélange dans la phase liquide donneuse si celle-ci prend la forme d'une goutte posée. Sur les figures 7 et 8, sont représentées des puces selon l'invention, respectivement à deux ou quatre électrodes 4, 6, 24, 26 optimisées pour prendre en compte la variabilité volumique des échantillons liquides : les frontières internes 30, 30', 32, ,32' des électrodes sont des spirales logarithmiques. La ligne 20 de contact (en pointillées) est circulaire. Les potentiels électriques (-) (+) se distinguent par leurs signes opposés : à deux électrodes voisines sont appliqués des signes opposés (sauf pour un nombre impair d'électrodes, pour la centrifugation, mais ceci sauf pour le champ tournant) .
La puce EHD de la figure 9 a huit électrodes optimisées pour : prendre en compte la variabilité volumique des échantillons liquides : les frontières internes 30, 30', 32, ,32', 34, 34', 36, 36' des électrodes sont des spirales logarithmiques, et forcer la présence d'un seul vortex dans l'objectif d'une centrifugation .
Les spirales 30', 32', 34', 36' plus épaisses signalent un entrefer de séparation des frontières d'électrodes plus large que les spirales 30, 32, 34, 36. La ligne de contact 20 (en pointillés) est circulaire. Les potentiels électriques (-) et (+) se distinguent par les signes opposés de deux électrodes voisines. Les électrodes délimitées par les frontières d'électrodes sont alternativement à un potentiel positif et à un potentiel négatif.
D'une manière générale, l'alternance de zones inter-électrodes plus larges et de zones interélectrodes moins larges permet de réduire significativement, dans les zones plus larges, le niveau des contraintes électriques qui, sinon, s'opposeraient aux contraintes électriques motrices engendrées par les zones inter-électrodes les moins larges . En figures 10 et 11, la puce EHD a respectivement quatre électrodes 4, 6, 24, 26 et 8 électrodes 4, 6, 24, 26, 44, 46, 64, 66 optimisées pour :
- prendre en compte la variabilité volumique des échantillons liquides : les frontières internes des électrodes sont alternativement des segments droits et des spirales logarithmiques,
- et forcer la présence d'un seul vortex dans l'objectif d'une centrifugation. Les potentiels électriques (-) et (+) se distinguent par leurs signes opposés. Le cercle plus épais suggère un découpage des électrodes pour stabiliser en position fixe la ligne de contact. En effet, chaque électrode, portée à un certain potentiel, peut elle-même faire l'objet d'un découpage local suivant un contour circulaire (électrode segmentée) . Ce découpage permet de créer une rugosité artificielle facilitant la fixation de la ligne de contact de la goutte.
Par ailleurs, la partie de l'électrode située à l'extérieur de la ligne 20 de contact peut être désactivée, ce qui peut conduire à stabiliser également la ligne triple par non-mouillage.
Sur la figure 11, les spirales sont, à la différence de la figure 10, prolongées vers le centre, ce qui se manifeste par un sens inverse de centrifugation pour les plus petites inclusions liquides. La frontière d'inversion est symbolisée par le cercle 70 en pointillés.
Les structures décrites ci-dessus avec les figures 10 et 11 permettent un piégeage de la ligne triple, du fait du découpage circulaire des électrodes. En variante, on peut aussi prévoir des rugosités circulaires ou bien des plots micrométriques implantés de manière verticale autour de la ligne triple. Cette technique des plots est d'ailleurs applicable aux structures autres que celles des figures 10 et 11, en particulier à toutes les autres structures de dispositif selon l'invention expliquées dans la présente demande.
Une autre variante intéressante consiste à stabiliser la position de l'échantillon liquide à l'aide d'une différence de mouillabilité localisée au niveau de la ligne triple. Pour cela, il s'agit de permettre à la zone extérieure à la ligne triple d'être hydrophobe (soit par nature, soit par revêtement d'un film hydrophobe) tandis que la zone intérieure est hydrophile, soit par nature soit par activation EWOD, soit par dépôt d'un film hydrophile.
Les figures 16A et 16B représentent des plots 80, par exemple en résine. De préférence ils sont positionnés au plus loin des espaces inter-électrodes, ou dans les espaces inter-électrodes pour lesquels on souhaite supprimer la composante Et ; ce sont les espaces inter - électrodes plus larges que leurs voisins ou bien les espaces inter - électrodes localement orthogonaux à la ligne triple.
Les plots 80 sont réalisés par exemple par photolitographie d'une couche de résine épaisse (par exemple d'épaisseur comprise entre 10 μm et 100 μm) . Dans le cas de la figure 16A, les plots 80 permettent de centrer automatiquement la goutte au centre de la spirale.
Dans le cas de la figure 16B, ils permettent de centrer automatiquement la goutte au centre de la spirale, et chacun est placé à cheval sur deux électrodes là où localement la contrainte électrohydodynamique est supprimée.
Un piégeage de la ligne triple permet quant à lui d'assurer l'équilibre de la ligne de contact 20 et d'éviter tout effet pouvant perturber la cohésion de l'échantillon liquide 12 à analyser ou à traiter. Il permet aussi de renforcer la stabilité de la position statique de la goutte 12.
Une puce selon l'invention peut être réalisée avec des technologies connues, par exemple telles que décrites dans le document de Fouillet et al., 2006, déjà cité en introduction à la présente demande ou dans le document WO 2006/005880 ou FR 2 841 063.
Dans les modes de réalisation mettant en œuvre plus de deux électrodes, la goutte est centrée sur l'intersection des bords internes des électrodes
(point « O » sur les figures 3, 5, 8-11. Dans le cas de deux électrodes à bords en spirales logarithmiques
(figure 7), la goutte est centrée sur l'intersection O des deux spirales. Plutôt que de considérer une inclusion liquide posée sur une seule puce, il est possible de considérer une inclusion liquide prise en sandwich entre deux puces liées à deux parois horizontales superposées. Comme dans le cas où on augmente le nombre d'électrodes, on va doubler les capacités d'actuation. Cependant les contraintes électriques interfaciales n' induisent de la quantité de mouvement que sur une épaisseur de fluide de quelques millimètres. Le frottement visqueux augmente proportionnellement à l'inverse de la distance séparant les deux parois horizontales .
On peut appliquer l'invention pour extraire des analytes concentrés à l'apex d'une inclusion liquide 12 sous l'effet de forces centrifuges ou centripètes.
Les figures 12a-12c représentent une extraction en trois étapes avec deux parois horizontales superposées : la paroi horizontale inférieure est équipée d'une puce EHD 2 selon l'invention (selon l'un des modes de réalisation décrits dans la présente demande) et la paroi horizontale supérieure est équipée d'une électrode 200, qui est éventuellement une puce EHD selon l'invention. Les étapes de mise en oeuvre sont alors les suivantes : i) étape de centrifugation sur la paroi horizontale inférieure équipée de la puce EHD 2 (figure 12a) , par activation de cette puce, et désactivation de l'électrode de la paroi supérieure. Il en résulte une centrifugation dans l'inclusion liquide 12 déposée sur la puce, avec création des vortex 13, 15 ; Cette première étape permet de favoriser la concentration de constituants à l'apex (surnageant) ou au fond, sur le pourtour de l'échantillon liquide (culot), selon qu'ils sont sensibles aux forces centripètes ou centrifuges, respectivement . ii) il y a ensuite désactivation électrique sur la paroi inférieure 2, pendant un laps de temps conduisant à la formation d'un pont capillaire 110 avec la paroi supérieure équipée d'une électrode 200 qui est désactivée (figure 12b) ; il y a alors démouillage relatif au niveau de la paroi inférieure 2 ; iϋ) l'étape précédente est suivie d'une réactivation électrique de la puce EHD 2 et de l'électrode supérieure 200 (figure 12c) pour la mise en œuvre de l' électromouillage et l'extraction spécifique d'un surnageant 123 (dans la goutte supérieure 122) et d'un culot (goutte inférieure 120) . On coupe le pont capillaire 110 (technique décrite dans A. Klingner et al., Self Excited Oscillatory dynamics of capillary bridges in Electric Fields, Applied physics Letters, Vol.82, 2003, p. 4187-4189) en deux inclusions indépendantes, chacune étant rattachées aux parois inférieure et supérieure. Deux situations peuvent alors se présenter: si les constituants 123 sont moins denses que le liquide de l'échantillon, l'inclusion supérieure contient le surnageant à analyser (cas de la figure 12c) ; et si les constituants 123 sont plus denses que la liquide de l'échantillon, c'est l'inclusion inférieure qui contient le culot à analyser. La formation d'un cône à l'apex d'une inclusion liquide sous l'effet de la convergence de lignes de champ électrique est connue des documents suivants : Taylor, G.I., 1964, Disintegration of water drops in an electric field, Proc. R. Soc. A, 280, pp. 383-397; Ramos, A. & Castellanos, A., 1994, Conical points in liquid-liquid interfaces subjected to electric fields, Phys . Letters A, 184, pp. 268-272; Ganan-Calvo, A., 1997, Cône-jet analytical extension of Taylor''s electrostatic solution and the asymptotic universal scaling laws in electrospraying, Phys. Rev. Letters, 79, 2, pp. 217-220. L'émergence d'un cône de Taylor peut également se révéler utile pour extraire des analytes isolés à l'apex d'un échantillon liquide à l'issue d'un brassage ou d'une centrifugation selon l'invention. Dans ce cas, l'échantillon liquide se trouve posé sur une puce EHD comme proposée dans l'invention. A une distance suffisamment rapprochée, proche de la longueur capillaire associée, une contre- électrode en forme de pointe est localisée dans la paroi adverse, comme expliqué dans les articles cités ci-dessus dans le présent paragraphe.
L'opération peut se dérouler en trois étapes .
La première étape consiste à centrifuger l'échantillon liquide afin de provoquer la concentration micro-fluidique de constituants cibles.
La deuxième étape consiste à modifier cette actuation pendant un court instant en portant toutes les électrodes de la puce inférieure au même potentiel tandis que l'électrode supérieure en forme de pointe est portée à un potentiel très différent.
Suite à l'allongement de l'échantillon liquide et à la formation consécutive d'un cône de Taylor sous l'influence des lignes de champ électrique, deux cas de figure peuvent se présenter : soit un pont capillaire se forme avec la paroi supérieure et dans ce cas, la déstabilisation du pont capillaire peut être facilitée en activant une zone plus large d'électrodes au niveau de la paroi supérieure ; on est donc ramené à la technique précédente, soit il y a éjection d'une ou de plusieurs gouttes (électro-spray, comme expliqué dans les articles de Taylor, Ramos et Ganan-Calvo cités ci- dessus) . Auquel cas, ou bien les constituants sédimentent et se retrouvent concentrés sous la forme d'un culot dans la goutte inférieure résiduelle, ou bien ils surnagent et sont alors contenus dans la ou les gouttes éjectées par le cône de Taylor. Si ces gouttes ne coalescent pas tout de suite (elles possèdent une charge électrique semblable) , leur fusion peut être facilitée ultérieurement par électromouillage le long de la paroi supérieure.
La figure 13 représente une micro-pompe mettant en œuvre par exemple une puce EHD à quatre électrodes (comme par exemple sur la figure 10 ; mais un autre nombre d'électrodes est possible). Une entrée de fluide 72 permet de faire entrer un fluide secondaire 12' dans une cavité ou un réacteur 74 contenant un dispositif EHD selon l'invention, ici à 4 électrodes. L'inclusion liquide primaire 12 subit un traitement tel que déjà décrit ci- dessus, sans déplacement d'ensemble. Les forces superficielles entraînent en mouvement le fluide secondaire 12' par viscosité comme décrit ci-dessus, conformément à l'invention.
Une micro-pompe selon l'invention peut être appliquée à un procédé de refroidissement en microélectronique (pour les processeurs) , ou à la dispense de petites quantités médicamenteuses (pharmacologie, galénique) , ou à la micro-propulsion d'objets (en exploration spatiale) .
Grâce au mécanisme physique mis en œuvre dans l'invention (I' électro-hydrodynamique) , la gamme de vitesses permettant un mélange est considérablement élargie par rapport aux micro-pompes classiques. L'invention permet en particulier d'atteindre une vitesse au moins égale à 0,1 m/s ou 1 m/s.
Si l'on désigne par (p) et (s) les fluides primaire 12 et secondaire 12', la relation (1) doit être complétée et s'écrit explicitement :
[Ej>[Er]w -εs[Er]s J =
L' indice i indique que la quantité est évaluée à l'interface, du côté du fluide primaire (p) ou du fluide secondaire (s) . L'entraînement du fluide secondaire est donc d'autant plus efficace que sa viscosité est faible et cependant plus élevée que celle du fluide primaire ( ηp < ηs ) .
Il est en outre possible, à partir d'une première goutte 12, d'engendrer un brassage ou une centrifugation dans une autre goutte par entraînement visqueux même si cette dernière possède une permittivité diélectrique ou bien une conductivité électrique semblables à celles de la phase liquide continue constitutive du milieu extérieur. En particulier, il est possible de créer un micro- engrenage à l'aide d'une phase liquide continue et de deux gouttes au minimum. Dans un tel micro-engrenage, le rapport de réduction ou d'amplification est programmable en jouant sur les rapports de viscosités ou de diamètres entre phase liquide continue et gouttes.
Sur la figure 14 est représenté un engrenage micro-fluidique impliquant par exemple deux puces EHD 200, 202, de préférence optimisées (par exemple du type à quatre électrodes : figure 10), avec leurs inclusions liquides respectives 12, 112, l'une de caractéristiques : diamètre dl et viscosité μl et l'autre de caractéristiques : diamètre d3 et viscosité μ3. Davantage de puces EHD et d'inclusion liquides peuvent être mises en œuvre. Une phase liquide secondaire 212, de viscosité μ2, circule entre les inclusions liquides primaires 12, 112 grâce aux mouvements de ces dernières, l'une dans le sens des aiguilles d'une montre, l'autre dans le sens contraire.
Cette technique, mettant en œuvre l'utilisation conjointe d'une phase liquide continue 212 reposant sur plusieurs échantillons liquides 12, 112 activés chacun par une puce 2, 202 semblable à celles proposées dans l'invention, conduit à une augmentation de l'intensité de brassage ou de centrifugation au sein des échantillons liquides. L'écoulement est plus intense à l'extérieur comme à l'intérieur des gouttes. De manière analogue, il est possible d'induire un mouvement d'une phase fluide primaire (p) à une phase fluide tertiaire (t) en passant par une phase secondaire visqueuse (s) . Auquel cas, la phase fluide tertiaire peut être mélangée ou centrifugée y compris si sa permittivité diélectrique ne permet pas l'émergence de contraintes électriques motrices à l'interface qui l'entoure (figure 14).
La phase primaire est par exemple un échantillon liquide posé sur une puce selon la présente invention. Entourée d'un liquide secondaire, un mouvement d' origine électrique est engendré à l'interface p/s qui se propage au sein du liquide secondaire via la viscosité. Par conséquent, à l'interface s/t, deux cas se présentent :
Soit il est impossible d'y engendrer des contraintes électriques motrices et auquel cas le brassage interne créé au sein de l'inclusion tertiaire est d'origine purement visqueuse ; (7) se simplifie sous la forme,
Soit il est possible d'engendrer à l'aide de contraintes électriques motrices un brassage interne à l'intérieur de l'inclusion liquide tertiaire ; auquel cas celle-ci est posée sur une puce EHD, et le brassage interne est engendré non seulement par l'intermédiaire des contraintes électriques motrices mais aussi par entraînement visqueux à l'interface, du fait que l'écoulement du fluide secondaire est également dû au rôle moteur de l'inclusion liquide primaire.
Un dispositif de type micro-engrenage selon l'invention peut comporter une série d'inclusions, chacune reposant sur une puce EHD et reliées entre elles via le liquide secondaire : dans ce cas, un tel micro-engrenage micro-fluidique amplifiant les écoulements interne et externe aux inclusions est proche d'un système d'amplification. Le fluide secondaire et le fluide de chacune des gouttes ou des inclusions présentent des permittivités diélectriques différentes et/ou des conductivités électriques différentes .
Appliqué de manière séquentielle, ce mode de réalisation permet d'atteindre un nombre important de G au sein de l'une des inclusions liquides participant à la chaîne (figure 14) . Les ratios de viscosité des fluides, les ratios de diamètres des différentes inclusions impliquées, le nombre et le niveau des contraintes électriques motrices appliquées aux différentes interfaces sont autant de paramètres qui participent à l'amplification globale des écoulements et qui peuvent être ajustés pour optimiser le système. La présente invention permet donc d'engendrer un mouvement en volume au sein d'un échantillon liquide suffisamment visqueux via une (ou des) contrainte (s) électrique (s) exercé (es) à sa surface. Si l'échantillon liquide 12 est entouré d'un autre liquide 22, également visqueux, la quantité de mouvement induite par la contrainte électrique surfacique diffuse non seulement dans le liquide interne à l'échantillon liquide 12 mais aussi dans le fluide externe 22. On peut donc entraîner en mouvement un fluide secondaire à l'aide d'un fluide primaire adoptant la forme : soit d'une ou plusieurs gouttes posée sur une ou plusieurs puces (figures 13 ou 14), soit d'un pont capillaire piégé entre deux puces (figure 12a-12c) ,
La présente invention peut donc être utilisée pour mettre en mouvement un fluide secondaire dans le contexte de la micro-fluidique continue. Une micro-pompe selon l'invention peut comporter une seule inclusion de liquide noyée dans un fluide secondaire
(figure 13) , ou bien plusieurs inclusions liquides noyées dans un fluide secondaire (figure 14) . Ce dernier peut être mis en mouvement par un mécanisme d'engrenage qui peut être qualifié d'engrenage micro- fluidique à frottement visqueux interfacial.
Un autre mode de réalisation d'un procédé selon l'invention comporte les étapes de : - centrifugation ou concentration micro- fluidique,
- fragmentation ou arrachage local d'une partie de l'inclusion liquide pour sélectionner puis manipuler ou éliminer des constituants concentrées localement à l'issue de l'étape précédente (par exemple, un surnageant concentré par effet centripète à l'apex d'une inclusion liquide).
Un exemple particulier de réalisation de ce procédé est illustré sur les figures 15A-15D. Sur ces figures le milieu environnant 22 est constitué d'un deuxième liquide, par exemple une deuxième goutte, non miscible avec la première, contenant des particules 23. Ces particules 23 vont progressivement sédimenter sur l'interface 12-22 (figure 15C) . La mise en mouvement de cette interface, conformément à l'invention, donc à l'aide d'électrodes ayant les caractéristiques déjà décrites ci-dessus, sans déplacement de la goutte 12, entraîne un déplacement des particules 23 le long de l'interface 12-22 et leur regroupement sur les bords de la goutte 12.
Enfin (figure 15D) les parties latérales, contenant les particules 23, sont séparées de la partie centrale de la goutte 22, par exemple par coupure par électromouillage, une ou plusieurs des électrodes situées entre la ou les parties latérales et les électrodes centrales étant désactivées.
Sur les figures 15A-15D, les deux gouttes sont représentées entre d'une part un substrat 3 sur lequel est formé un dispositif selon l'invention et d'autre part un substrat 3' de confinement.
L' instrumentation rhéologique à microéchelle est un secteur d'applications de l'invention. Des micro-rhéomètres basés sur l' électrocinétique sont actuellement en phase de développement (Juang, Yi-Je, 2006, Electrokinetics-based Micro Four-Roll MiIl1 http : / /www . chbmeng . ohio - s Late . edu/facultγpages/leeresearch/154RollMill -hem) . L'invention proposée, qui, elle, repose sur 1' électrodynamique, permet d'engendrer par exemple quatre ou deux vortex au sein d'un échantillon liquide ou gélifié afin d'obtenir un écoulement purement élongationnel ou purement cisaillé. Des mesures de paramètres visco-élastiques peuvent donc être réalisées avec l'invention à l'aide de mesures de vitesse réalisées par exemple par acquisition vidéo. Un dispositif selon l'invention peut être inclus dans de nouveaux micro-systèmes ou des laboratoires sur puces, à des fins de préparation d'échantillons biologiques avant d'autres étapes d'analyse.
Des applications de l'invention à ce domaine biologique vont être décrites.
La plupart des techniques connues de détection de cibles biologiques présentent un défaut important: toutes nécessitent préalablement une purification et plus généralement une préparation préalable des échantillons biologiques à analyser.
En ce qui concerne la détection de virus pathogènes par extraction de segments d'ADN, la technique qui fait référence est la PCR ; celle-ci consiste en un processus d'amplification des brins d'ADN présents au sein d'un échantillon liquide. La PCR est couramment développée dans des micro-systèmes (Kopp-MU; de-Mello-AJ; Manz-A, 1998, Chemical amplification : continuous-flow PCR on a chip, Science, 280, 5366, pp.1046-1048 ; Zhan-Z; Dafu-C; Zhongyao-Y; Li-W. Biochip for PCR amplification in silicon, 2000, lst Annual International IEEE-EMBS Spécial Topic Conférence on Microtechnologies in Medicine and Biology. Proceedings (Cat. No.00EX451). IEEE, Piscataway, NJ, USA, pp. 25-28) . Après un nombre de ces cycles thermiques relativement important, la concentration en ADN est suffisante pour permettre la détection. Parmi les inconvénients de la PCR, citons i) la durée associée au processus d'amplification, ii) le bruit de fond lié au fait que la polymérase peut amplifier des segments d'ADN non spécifiques présents dans l'échantillon liquide représente le deuxième inconvénient majeur de la PCR, et surtout, iii) comme pour la plupart des techniques de détection, la PCR nécessite la préparation ou purification des prélèvements biologiques. Le test ELISA est une autre technique de détection très répandue, de type immunoanalyse ou détermination de charge virale par dosage des acides nucléiques, destinée à détecter et/ou doser un antigène présent dans un échantillon biologique fluide. Le test ELISA, pratiqué en phase homogène ou hétérogène, présente l'avantage d'être rapide et peu coûteux. Mais là encore, les échantillons biologiques doivent préalablement faire l'objet d'une étape minimale de purification . Parmi les techniques visant à développer une alternative à la PCR, on trouve la détection sans amplification, technique sensible tout en permettant la réduction de la durée de détection. Le principe de la détection sans amplification repose sur la capture de segments d'ADN cibles, aussi peu nombreux soient-ils.
Une première technique consiste à hybrider les segments d'ADN cibles avec des nanobilles paramagnétiques fonctionnalisées chargées de vectoriser ces segments vers une interface solide fonctionnalisée à des fins de détection. Ce processus de concentration peut reposer sur un procédé magnétique, les ADN cibles sont élues (par augmentation de la température au-delà de 500C) et viennent s'hybrider sur la surface solide fonctionnalisée, avant la phase de détection (Marrazza, G., Chianella, I. and Mascini, M., 1999, Disposable DNA electrochemical sensor for the hybridization détection , Biosensors & Bioelectronics, 14, 1, pp. 43-51 ; Lenigk, R, Caries, M., Ip, N. Y. & Sucher, NJ., 2001, Surface characterization of a silicon-chip-based DNA microarray, Langmuir, 17, 8, pp. 2497-2501). La concentration des billes peut également être accélérée par effet Marangoni thermique à la surface d'une goutte (Ginot, F., Achard, J-L., Drazek, L. & Pham, P., 12 septembre 2001, Method and device for isolation and/or détermination of an analyte ; demande de brevet FR 01 11883) . Ces méthodes se heurtent cependant au problème de l'adsorption non spécifique de certaines billes magnétiques à des parois solides. La sensibilité atteinte n'est plus celle escomptée.
La présente invention permet d' accélérer la cinétique d'hybridation tout en étant compatible avec une contrainte de miniaturisation. Elle permet également de concentrer par centrifugation les billes fonctionnalisées pour une détection plus sensible. Elle est alors appliquée de la manière expliquée dans le document FR 01 11883.
Une autre possibilité consiste à hybrider des brins d'ADN cibles au niveau d'une interface liquide/gaz ou liquide/liquide fonctionnalisée par des sondes (Picard, C. & Davoust, L., 2005, Optical investigation of a wavy ageing interface, Colloids & Surfaces A: Physichem. Eng. Aspects, 270-271, pp. 176- 181 ; Picard, C. & Davoust, L., 2006, Dilational rheology of an air-water interface functionalized by biomolecules : the rôle of surface diffusion, Rheologica Acta, 45, pp. 1435-1528) puis à utiliser, si nécessaire, un procédé de concentration micro-fluidique pour augmenter la densification locale des complexes cibles/sondes hybrides, et ainsi permettre une détection locale plus sensible (Berthier, J. & Davoust , L., 2003, Method of concentrating macromolecules or agglomérâtes of molécules or partiales ; demande de brevet WO 2003/080209) . Une détection de type micro-mécanique basée sur la modification des propriétés rhéologiques de l'interface fluide durant le processus d'hybridation est également possible (Picard & Davoust, 2005, cité ci-dessus) . Cette technique, comme les précédentes, se heurte à une difficulté d'intégration micro au sein d'un lab on chip ainsi qu'à la nécessité préalable de préparer l'échantillon biologique.
La présente invention peut s'appliquer en deux temps : elle peut être utilisée pour purifier/préparer un échantillon biologique liquide puis être utilisée une ultime fois en permettant une concentration de type micro-fluidique .
En effet, en permettant une centrifugation au sein d'un échantillon liquide 12 (figure IA), l'invention permet de concentrer localement de manière sélective des complexes {analytes liés aux récepteurs} afin d'augmenter plus encore les performances de détection .
Une application de l'invention donc est notamment la concentration micro-fluidique par mélange ou centrifugation pour une détection facilitée d'anticorps, d'antigènes, de protéines ou complexes protéiniques, d'ADN ou ARN. Dans ce cas les fluides utilisés sont basés sur des solutions aqueuses. Le milieu ambiant peut être de l'air ou une huile pure. La détection peut être menée directement in situ au niveau de la zone de concentration ou bien faire l'objet d'une étape ultérieure après extraction par arrachement sélectif de ladite zone de concentration. L'invention permet en outre d'améliorer les performances de la PCR ou de la PMCA en vue de la détection d'ADN ou de protéines. Après l'étape de concentration micro-fluidique, à l'aide d'un dispositif selon l'invention et selon le procédé de centrifugation conforme à la présente invention, appliqué soit à des segments d'ADN cibles adsorbés directement à l'interface fonctionnalisée de l'inclusion liquide (une goutte de solution aqueuse) soit à des micro-billes fonctionnalisées, il est possible de prélever spécifiquement la zone de concentration par électromouillage ou par émission de gouttelettes à partir d'un cône de Taylor, comme déjà expliqué ci- dessus . II est également possible de s'affranchir de la PCR et de réaliser une détection ultrasensible en appliquant plusieurs fois de suite la centrifugation EHD selon la présente invention à des inclusions liquides successivement extraites. En effet, une puce EHD selon l'invention peut être optimisée afin de prendre en compte une variabilité de volumes d'échantillons (par exemple par une puce à électrodes en forme de spirale logarithmique, comme illustré sur les figures 7-11) . Une micro-émulsion peut également être réalisée en favorisant la coalescence de deux inclusions par déplacement par électromouillage puis en produisant un mélange à l'aide de la présente invention. Une PCR peut ensuite être pratiquée directement sur l'émulsion ainsi obtenue. L'émulsion peut également permettre d'éliminer certains constituants inutiles par adsorption aux interfaces en vue d'une purification biologique. Un autre exemple d'application est le suivant. Deux inclusions liquides non miscibles peuvent fusionner l'une avec l'autre par la technique d' électromouillage, telle que décrite dans le document de Y.Fouillet déjà mentionné ci-dessus. L'invention permet ensuite d'engendrer un mélange diphasique tel qu'une mousse ou une émulsion (micro-mousse, micro-émulsion) , ceci afin de faciliter un séquençage, ou la purification de biomolécules ou bien encore l'extraction de colloïdes par capture à des interfaces liquide/gaz (mousse) ou liquide/liquide (émulsion) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de formation d'au moins un écoulement circulant, ou vortex, à la surface d'une goutte de liquide, comportant :
- au moins deux premières électrodes (4,6, 24, 26) formant un plan et présentant des bords (14, 16) en regards l'un de l'autre, tels que la ligne de contact (20) d'une goutte (2), déposée sur le dispositif et fixe par rapport à celui-ci, ait une tangente faisant, en projection dans le plan des électrodes, un angle compris strictement entre 0° et 90° avec les bords en regards l'un de l'autre des électrodes, - des moyens (11) permettant d'appliquer entre les deux premières électrodes (4, 6, 24, 26) une différence de potentiel qui donne naissance à un champ électrique oblique.
2. Dispositif selon la revendication 1, l'angle étant compris entre 40° et 50°.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, les bords des électrodes en regards l'un de l'autre étant en forme de zig-zag.
4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, les bords des électrodes en regards l'un de l'autre étant en forme de spirale logarithmique.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, les électrodes étant au nombre de 2, 4, ou 8.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, les bords des électrodes, faisant avec la projection de la ligne de contact, un angle compris strictement entre 0° et 90°, alternant avec des bords d'électrodes faisant un angle de 90° avec la projection de cette même ligne circulaire de contact (20) .
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, comportant en outre des moyens pour activer et désactiver, successivement, les électrodes à haute fréquence, supérieure à 100 Hz.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, les espaces de séparation des bords (14, 16) des électrodes en regards l'un de l'autre ayant alternativement une première valeur et une deuxième valeur, inférieure à la première.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, comportant des moyens (30', 32', 34', 36', 80) de piégeage de la ligne triple (20) qu'une goutte posée sur le dispositif définit avec celui-ci .
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, comportant en outre un deuxième ensemble d'électrodes (200) située en face, parallèlement aux deux premières électrodes.
11. Dispositif selon la revendication 10, le deuxième ensemble d'électrodes format un dispositif selon l'une des revendications 1 à 9.
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, comportant en outre une contre- électrode en forme de pointe.
13. Dispositif de pompage comportant au moins un dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, et des moyens pour amener un deuxième fluide (12') en contact avec une goutte (12) de liquide disposée sur le dispositif.
14. Dispositif selon la revendication précédente, comportant une pluralité de dispositifs selon l'une des revendications 1 à 9.
15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, comportant en outre une couche isolante (10) .
16. Procédé de formation d'au moins un écoulement circulant ou vortex (13, 15) dans une goutte (12) de liquide, ou à sa surface, dans un milieu environnant (22), présentant l'un par rapport à l'autre des propriétés diélectriques différentes et/ou des résistivités différentes, comportant : - disposer la goutte sur un dispositif comportant au moins deux premières électrodes (4,6, 24, 26) présentant des bords (14, 16) en regards l'un de l'autre, de manière à ce que la projection de la ligne de contact (20) de la goutte (2) sur le plan contenant les électrodes ait une tangente faisant avec ces bords d'électrodes un angle compris strictement entre 0° et 90°, - appliquer un champ électrique entre les deux électrodes, la goutte étant fixe par rapport au dispositif .
17. Procédé selon la revendication 16, le champ électrique appliqué entre les deux premières électrodes (4, 6, 24, 26) étant un champ électrique oblique par rapport à l'interface liquide/milieu environnant .
18. Procédé selon la revendication 16 ou 17, le volume de la goutte variant en fonction du temps .
19. Procédé selon l'une des revendications
16 à 18, dans lequel un seul écoulement circulant ou un seul vortex est engendré dans la goutte.
20. Procédé de concentration micro- fluidique par mélange ou centrifugation d'une goutte de liquide, notamment pour une détection d'anticorps, ou d'antigènes, ou de protéines ou de complexes protéiniques, ou d'ADN ou ARN, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'au moins un écoulement circulant ou vortex (13, 15) dans ladite goutte (12) de liquide selon un procédé selon l'une des revendications 16 à 19.
21. Procédé selon la revendication 20, une étape de détection étant effectuée, après mélange ou centrifugation, sans déplacement de la goutte.
22. Procédé selon la revendication 21, comportant en outre une étape d'extraction de liquide de la goutte.
23. Procédé selon la revendication 22, comportant en outre une étape de transfert du liquide extrait vers une zone de détection.
24. Procédé selon la revendication 22 ou 23, l'étape d'extraction étant réalisée par électromouillage ou par émission de gouttelettes à partir d'un cône de Taylor.
25. Procédé de formation d'une micro- émulsion comportant :
- un rapprochement par déplacement de deux volumes de liquides l'un par rapport à l'autre,
- une étape de mise en œuvre d'un procédé selon l'une des revendications 16 à 24.
26. Procédé selon la revendication 25, l'étape de rapprochement par déplacement de deux volumes de liquides étant réalisée par électromouillage .
27. Procédé de pompage d'un fluide secondaire (12') par une goutte d'un fluide primaire (12), comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d' au moins un écoulement circulant ou vortex (13, 15) dans ladite goutte (12) de fluide primaire selon un procédé selon l'une des revendications 16 à 24.
28. Procédé d'extraction d' analyte d'une goutte de liquide comportant :
- la mise en oeuvre d'un procédé de concentration micro-fluidique selon la revendication 20,
- une désactivation des au moins deux premières électrodes, et la formation d'un pont capillaire (110) entre la première surface isolante
(10) et une paroi comportant au moins une deuxième électrode (200),
- l'activation électrique des premières électrodes et de la deuxième électrode (200), et la coupure du pont capillaire.
29. Procédé d'extraction de particules comportant la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 16 à 28, le milieu environnant comportant étant constitué d'un deuxième liquide contenant des particules (23) qui ont préalablement sédimenté sur l'interface des deux liquides, puis séparation des parties latérales, contenant les particules (23), et d'une partie centrale de la goutte (22) .
30. Procédé selon la revendication 29, la séparation des parties latérales, contenant les particules (23), et d'une partie centrale de la goutte (22), ayant lieu par coupure par électromouillage.
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