EP2097160B1 - Microdevice and method for treating liquid specimens - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the field of the treatment of liquid samples, in particular by centrifugation or mixing 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 it is freed from pumps, valves, walls necessary for confining 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, injection of biomolecules by heterogeneous mixing (coalescence of drops), pipetting or localized fragmentation. drops ... etc.
- the proposed invention finds many applications in small scale mixing, small scale extraction, small scale centrifugal separation or purification, 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.
- 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 drop is fixed and the triple line does not move, while internal convection movements are observed.
- 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.
- a device according to the invention is a device for treating a drop of liquid, with the features of claim 1.
- 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 motion 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 only source of energy dissipation since the liquid inclusion is stabilized in a static position by hooking up its triple line and / or by electrowetting, comes from the volume viscosity (there is no dissipation of energy by triple line displacement).
- the presence of a solid wall on which the liquid inclusion is deposited or of two solid walls between which the inclusion is sandwiched gives rise to a viscous dissipative shear which balances the original interfacial motor term electric.
- 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 °.
- 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.
- means are provided for trapping the triple line, which a drop placed on the device defines with it.
- 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.
- 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 placing 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 micro-pumps 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 invention also relates to a method of treating a drop of liquid in a surrounding medium according to claim 7.
- 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 the implementation of 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.
- 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.
- 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.
- the invention may 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 1A, 1B ). 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 the Figure 1A for reasons of clarity, but rather they are oriented in a plane parallel to the plane of the electrodes 4, 6 or layers 8, 10.
- the oblique nature of the field results from the shape of the electrode edges facing one of the other, as explained later. Between the inter-electrode gap areas, the field is almost zero.
- 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 the document WO 2006/005880 or FR 2 841 063 .
- the invention operates with various pairs of fluids 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).
- This voltage may for example vary from 0.1 V to 100 V or a few hundred V, for example 500 V.
- the drop is kept centered or astride the different electrodes. It is thus possible to use holding studs, as explained below.
- the normal component at the interface also called the normal momentum balance helps to position the inclusion stably.
- the stirring or centrifugation results in particular from the tangential components of the preceding equilibrium (tangential momentum balances) and more particularly from the tangential component along the tangent t 1 to the line 20 of contact 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 from the liquid inclusion.
- the drop is placed symmetrically astride two electrodes 4, 6 isolated from the drop of water by a thin dielectric film 10 (diagram of FIG. Figure 1A ).
- 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 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 brewing movement symbolized by the azimuthal component of the velocity, u ⁇ , always remains tangential to the surface of the liquid inclusion and thus does not generate its displacement or its interfacial deformation.
- 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 1B, 2 or 3 .
- the periodicity (spatial) of the alternation, ⁇ can be optimized: we prefer to take: R / 10 ⁇ ⁇ ⁇ R ,
- R may vary between, for example, 0.1 mm and 10 mm.
- ⁇ can therefore be between, for example, 0.01 mm and 1 mm.
- ⁇ 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 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 ⁇ on the Figures 1B, 2 , 7 , but also the directions ⁇ and ⁇ 'in figure 3 ).
- the invention therefore remains effective if the volume of the liquid sample 12 is random or if it changes over time under the effect of one or more extractions or under the effect of evaporation, for example.
- 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 can for example implement electrowetting droplet displacement means, EWOD type, such as for example described in WO 2006/005880 or in the article of MG Pollack et al. "Electrowetting based actuation of droplets for integrated microfluidics", Lab Chip, 2002, vol.2, p. 96-101 .
- ⁇ denotes the thickness of the fluid on which the amount of movement induced by the electrical stress is dissipated
- An inter-electrode space e equal to 20 ⁇ m can be considered.
- a first control parameter is the number of electrodes.
- 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, inter-electrode spacing.
- inter-electrode spacing typically a factor of 10
- the driving stress evolves 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 insulation film, and inversely proportional to the thickness of the dielectric and hydrophobic films 8, 10.
- the electrode boundaries are represented, in plan view, in the form of zig-zag, at 45 ° (see in particular the figure 2 and the triple line 20 ") with the tangent to the triple line 20 of the drop.
- 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, and illustrate the possible variability of the liquid sample volumes 12, various instants t, t + dt, t + n.dt (n> 1)
- the electric potentials (-) and (+), applied to the various electrodes, are distinguished by their opposite signs.
- the symbol ⁇ represents the periodicity of the segmentation, each segment being inclined at ⁇ 45 ° (drop of water under air).
- the figure 2 is an example of an EHD chip according to the invention, with two electrodes 4, 6 with segmented boundaries
- the figure 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 ⁇ respectively designate the electric field in the inter-electrode space, the component of 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).
- the figure 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.
- the proposed invention can thus be applied to the preparation of biological or medical samples, to the isolation of analytes for analysis or to microfluidic concentration purification. in the heart or on the periphery of one or more vortices if it is a more evolved brewing.
- Isolated constituents can also be extracted within a vortex in view of their subsequent elimination, biochemical characterization or detection.
- the proposed invention can accelerate the interfacial transfer of extractants by producing a mixture in the phase donor fluid if it takes the form of a drop.
- FIGS 7 and 8 are represented chips according to the invention, respectively 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 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 electric potentials (-) and (+) are distinguished by their opposite signs.
- the circle more. thick suggests cutting the electrodes to stabilize the contact line in a fixed position.
- 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.
- 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.
- the Figures 16A and 16B represent pads 80, for example of 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).
- the pads 80 make it possible to automatically center the drop in the center of the spiral.
- 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 request or in the document WO 2006/005880 or FR 2 841 063 .
- the drop is centered on the intersection of the internal edges of the electrodes ("O" point on the electrodes).
- O the internal edges of the electrodes
- figures 3 , 5 , 8-11 the drop is centered on the intersection O of the two spirals.
- 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.
- the Figures 12a-12c represent 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 an electrode 200, which is optionally an EHD chip according to the invention.
- 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.
- the figure 13 represents a micro-pump using for example a four-electrode EHD chip (as for example on the figure 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 allowing 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 there is shown a micro-fluidic gear involving for example two EHD chips 200, 202, preferably optimized (for example of the four-electrode type: figure 10 ), with their respective liquid inclusions 12, 112, one of characteristics: diameter d1 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.
- a primary fluid phase (p) to a tertiary fluid phase (t) via a viscous secondary phase (s).
- the tertiary fluid phase can be mixed or centrifuged, even if its dielectric permittivity does not allow the emergence of electrical motor stresses at the interface which surrounds it ( figure 14 ).
- the primary phase is for example a liquid sample placed on a chip according to the present invention. Surrounded by a secondary liquid, a movement of electrical origin is generated at the p / s interface which propagates within the secondary liquid via the viscosity.
- 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 within 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 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 ( figure 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 located between the side portion (s) 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 3 'confinement substrate.
- 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 Mill, http://www.chbmeng.chio-state.edu/facultypages/leeresearch/154RollMill.htm ).
- 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; Zhongyao-Y; Li-W. Biochip for PCR amplification in silicon, 2000, 1st Annual International IEEE-EMBS Special Topic Conference on Microtechnology in Medicine and Biology. Proceedings (Cat No.00EX451). IEEE, Piscataway, NJ, USA, pp.
- PCR requires the preparation or purification of biological samples.
- the ELISA is another technique, widespread detection, immunoanalysis type 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. But again, the biological samples must first be subject to a minimum purification step.
- detection without amplification is a sensitive technique while allowing the reduction of the detection time.
- the principle of non-amplification detection relies on the capture of target DNA segments, however few they may be.
- 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 the document FR 01 11883 .
- Another possibility is to hybridize strands of target DNA at a liquid / gas or liquid / liquid interface functionalized by probes ( Picard, C. & Davoust, L., 2005, Optical investigation of a wavy age 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 allows selective localization of ⁇ 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.
- a device according to the invention and according to the centrifugation method according to the present invention applied either to target DNA segments adsorbed directly to the functionalized interface From the liquid inclusion (a drop of aqueous solution) to functionalized microbeads, it is possible to specifically collect the concentration zone by electrowetting or by emission of droplets from a Taylor cone, as already explained here. -above.
- an EHD chip according to the invention can be optimized in order to take into account a variability of sample volumes (for example by a logarithmic spiral-shaped electrode chip, as illustrated in FIGS. Figures 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.
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Description
L'invention concerne le domaine du traitement d'échantillons liquides, en particulier par centrifugation ou brassage d'une goutte de liquide.The invention relates to the field of the treatment of liquid samples, in particular by centrifugation or mixing a drop of liquid.
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).It applies in particular to the preparation or the purification of biological and chemical samples, to the fields of biomedical diagnosis, molecular biology, the reprocessing of effluents, possibly radioactive (extraction of actinides), and more generally, to all the scientific, technological and industrial fields that involve the selective extraction of macromolecules, organelles, actinides, colloids or solid particles from a liquid sample in the form of a drop or a puddle (liquid inclusions).
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 l'écoulement...etc.The proposed invention also relates to the field of discrete microfluidics, preferably used for continuous microfluidics (in channels) as soon as it is freed from pumps, valves, walls necessary for confining the flow. ... 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).Indeed, all these elements contribute to parietal physicochemical contaminations as well as intrinsically slow capillary flows despite the high power involved in pumping (significant pressure losses).
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.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.
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.Molecules of biological or medical interest are for example transported within drops that pass between various analysis steps such as biochemical functionalization, injection of biomolecules by heterogeneous mixing (coalescence of drops), pipetting or localized fragmentation. drops ... 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.The proposed invention finds many applications in small scale mixing, small scale extraction, small scale centrifugal separation or purification, 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.
L'invention concerne également le domaine de la purification d'échantillons biologiques, et de l'extraction de constituants biologiques.The invention also relates to the field of purification of biological samples, and extraction of biological constituents.
Les techniques de purification les plus reconnues en biologie sont la chromatographie, l'électrophorèse et la centrifugation ; elles sont majoritairement pratiquées à échelle macroscopique (de quelques centimètres à quelques mètres).The most recognized purification techniques in biology are chromatography, electrophoresis and centrifugation; they are mostly practiced on a macroscopic scale (from a few centimeters to a few meters).
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.Coupled with powerful detectors, chromatography is the most sensitive analytical technique currently available for assaying a substance in a biological sample.
Cette technique d'analyse est certes l'une des plus sensibles mais sa miniaturisation s'avère très délicate à mettre en oeuvre en particulier à cause du milieu poreux qui se trouve mis en jeu ; c'est là son principal inconvénient. La réalisation d'un micro-système intégrant la chromatographie est aléatoire et la préparation en amont de l'échantillon liquide reste en suspens.This analysis technique is certainly one of the most sensitive but its miniaturization is very difficult to implement in particular because of the porous medium that is involved; this is his main disadvantage. The realization of a micro-system integrating the chromatography is random and the preparation upstream of the liquid sample remains in suspense.
L'électrophorèse permet une séparation sélective de molécules biologiques en se basant sur leur charge électrique.Electrophoresis allows selective separation of biological molecules based on their electrical charge.
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 oeuvre.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. The insertion and then the handling of a gel in a lab- like analysis chain is difficult to implement.
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.As for the current 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.
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.
- 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.
Le document de
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.In this type of device, the drop is fixed and the triple line does not move, while internal convection movements are observed.
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.There is the problem of being able to optimize this phenomenon thanks to a configuration of appropriate electrodes and secondly to implement this phenomenon for different applications.
Le document
La présente invention utilise la mise en mouvement de fluide dans une goutte, qui est elle-même au repos.The present invention uses the setting in motion of fluid in a drop, which is itself at rest.
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.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. 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 . In particular, 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.
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).The only movement is due to the interface of the drop and the external environment; the particles that constitute this interface move tangentially to it so that it does not deform (there is a scanning movement along the 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.The geometry of the drop therefore remains fixed and the movement thus generated along the interface is communicated to the internal fluid phases, and possibly external, to the drop by the viscosities specific to each of these fluid phases. Viscosities are a kind of relay of the interfacial tangential impulse.
Aucun gel électrophorétique ou milieu poreux n'est mis en jeu, la centrifugation selon l'invention permet donc une miniaturisation micro-fluidique.No electrophoretic gel or porous medium is involved, the centrifugation according to the invention thus allows micro-fluidic miniaturization.
Cependant, pour les micro-systèmes, un problème réside dans le nombre de G
- 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.
- handling small biological samples,
- the implication of small volumes of reagents,
- portability,
- and the implementation in a lab-on-a-chip or micro-system based on digital microfluidics.
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.These advantages are also preserved if it is to apply the invention to the micro-fluidic drop concentration applied to the detection of biological targets.
Un dispositif selon l'invention est un dispositif de traitement d'une goutte de liquide, avec les caractéristiques de la revendication 1.A device according to the invention is a device for treating a drop of liquid, with the features of
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.According to the invention, 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.
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.According to the invention, tangential interfacial motion 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 only source of energy dissipation, since the liquid inclusion is stabilized in a static position by hooking up its triple line and / or by electrowetting, comes from the volume viscosity (there is no dissipation of energy by triple line displacement). The presence of a solid wall on which the liquid inclusion is deposited or of two solid walls between which the inclusion is sandwiched (capillary bridge), gives rise to a viscous dissipative shear which balances the original interfacial motor term electric.
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°.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 °.
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.The edges of the electrodes facing each other can be for example in the form of zig-zag or logarithmic spiral form.
Les électrodes sont par exemple au nombre de 2, 4, ou 8.The electrodes are for example 2, 4, or 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.Preferably the 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.
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.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.
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.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.
En outre il est prévus des moyens de piégeage de la ligne triple, qu'une goutte posée sur le dispositif définit avec celui-ci.In addition, means are provided for trapping the triple line, which a drop placed on the device defines with it.
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.A second set of electrodes may be located opposite, parallel to the first electrodes. For example, this second set of electrodes also forms a device according to the invention.
Il est donc possible d'utiliser deux puces EHD aux extrémités inférieure et supérieure d'un pont capillaire.It is therefore possible to use two EHD chips at the lower and upper ends of a capillary bridge.
Un dispositif selon l'invention peut en outre comporter une contre-électrode en forme de pointe.A device according to the invention may further comprise a counter-electrode shaped tip.
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.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.
Un tel dispositif peut comporter une pluralité de dispositifs selon l'invention.Such a device may comprise a plurality of devices according to the 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 micro-pompes actuelles et la contamination physico-chimique accidentelle due à la présence de parois est évitée.The invention thus makes it possible to micro-pump secondary flows or to accelerate micro-fluidic flows by placing one (or more) micro-gear (s) consisting of one (or more) liquid inclusion (s) surrounded by a secondary and continuous liquid phase. In "micro pumping" type applications, 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 micro-pumps and accidental physicochemical contamination due to the presence of walls is avoided.
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.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.
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.
- it is not necessary that the fluid to be driven is ionic (unlike electrokinetic micro-pumps): in the proposed invention, the drive mechanism 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,
- one or two horizontal walls suffice (compared to mechanical micro-pumps, piezoelectric or electrokinetic) and the sources of physico-chemical contamination are very small.
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 oeuvre 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.
- a non-destructive and isothermal character: the involved liquid inclusion may therefore contain fragile constituents, which can be denatured with temperature or under the effect of ionic forces,
- the rapidity: with the invention, it only takes a few seconds or minutes for the stirring or centrifugation to cause sedimentation or flotation of constituents,
- a great simplicity of implementation as well as a possibility of servocontrol,
- the ability to generate within a liquid inclusion of typically millimeter size a rotational movement or intense stirring. The number of G reached in the experiments carried out with chips according to the invention, which are not yet optimal, 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 extraction, analysis or analysis. posterior detection .
L'invention concerne également un procédé de traitement d'une goutte de liquide dans un milieu environnant selon la revendication 7.The invention also relates to a method of treating a drop of liquid in a surrounding medium according to claim 7.
Le champ appliqué est oblique par rapport à l'interface goutte de liquide - milieu environnant.The applied field is oblique with respect to the liquid droplet - surrounding environment.
Le volume de la goutte peut varier en fonction du temps.The volume of the drop may vary with time.
Un ou plusieurs écoulements circulant ou un seul ou plusieurs vortex peuvent être engendré dans la goutte.One or more circulating flows or one or more vortices may be generated in the drop.
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.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 the implementation of a method of forming at least one circulating or vortex flow in said drop of liquid according to a method according to the invention.
Une étape de détection peut être effectuée, après mélange ou centrifugation, sans déplacement de la goutte.A detection step can be performed, after mixing or centrifugation, without displacement of the drop.
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.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.
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 oeuvre d'un procédé selon l'invention, tel que décrit ci-dessus.
- an approximation by displacement of two volumes of liquids, intended to form the emulsion, with respect to each other, for example by electrowetting,
- a step of implementing a method according to the invention, as described above.
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.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.
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.
- the implementation of a microfluidic concentration process according to the invention,
- deactivating (at least) two first electrodes and forming 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 the other electrode, and the breaking of the capillary bridge.
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.A particle extraction method according to the invention 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.
-
Les
figures 1A et 1B représentent une Géométrie du système EHD dans le cas d'électrodes activées par une différence de potentiels électriques alternative.TheFigures 1A and 1B represent a geometry of the EHD system in the case of electrodes activated by an alternating electric potential difference. -
La
figure 2 représente une Puce EHD à deux électrodes à frontières segmentées.Thefigure 2 represents a segmented two-electrode EHD chip. -
Les
figures 3 et5 représentent chacune une puce EHD à quatre électrodes à frontières segmentées.Thefigures 3 and5 each represent a four-electrode EHD chip with segmented boundaries. -
La
figure 4 représente une puce EHD à deux électrodes à frontières segmentées.Thefigure 4 represents a segmented boundary two-electrode EHD chip. -
La
figure 6 représente une goutte d'eau posée sur une puce EHD à deux électrodes segmentées à ± 45°.Thefigure 6 represents a drop of water placed on an EHD chip with two electrodes segmented at ± 45 °. -
Les
figures 7 à 9 représentent chacune une puce EHD à électrodes dont les frontières internes sont des spirales logarithmiques.TheFigures 7 to 9 each represent an electrode EHD chip whose internal boundaries are logarithmic spirals. -
Les
figures 10 et11 représentent chacune une puce EHD à électrodes dont les frontières internes sont ou bien des segments droits ou bien des spirales logarithmiques.Thefigures 10 and11 each represent an electrode EHD chip whose internal boundaries are either straight segments or logarithmic spirals. -
Les
figures 12A à 12C représentent des étapes d'extraction verticales à l'aide d'un procédé selon l'invention.TheFigures 12A to 12C represent vertical extraction steps using a method according to the invention. -
Les
figures 13 et 14 représentent chacune une application d'un dispositif selon l'invention.TheFigures 13 and 14 each represent an application of a device according to the invention. -
Les
figures 15A à 15D représentent des étapes d'extraction d'un autre procédé selon l'invention.TheFigures 15A to 15D represent extraction steps of another method according to the invention. -
Les
figures 16A et 16B représentent chacune un dispositif selon l'invention, muni de plots de piégeage.TheFigures 16A and 16B each represent a device according to the invention, provided with trapping pads.
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).In the remainder of the description, the generic term "constituents" will be used to denote all the potential species that are the subject of the present invention (macromolecules, organelles, actinides, colloids or solid particles).
L'invention peut notamment mettre en oeuvre des inclusions liquides réticulées dont la taille peut par exemple varier entre 10 microns et le centimètre.The invention may in particular implement crosslinked liquid inclusions whose size may for example vary between 10 microns and centimeter.
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 (
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.To be compatible with electrowetting displacement technology (EWOD technology), the drop may be separated from the electrodes by an insulating
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.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.
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
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.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
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 l'interface).The only movement is due to the interface; the particles that make up the interface move tangentially to it so that it does not deform (scanning movement along the interface).
L'invention permet donc de produire au sein d'inclusions liquides 12, à l'aide de l'électrohydrodynamique (EHD), un micro-écoulement 13, 15 ou un drainage, ou un mélange (ou brassage) d'intensité contrôlée, ou une centrifugation.The invention thus makes it possible to produce, within
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).As explained later, it is possible to generate a single vortex, ie a single centrifugation. This will be particularly interesting for targeted applications such as the preparation of biological samples, the purification of samples, or the extraction of constituents (such as macromolecules (DNA, RNA, proteins, etc.), analytes, colloids , solid particles ... 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
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...).The invention operates with various pairs of
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).The
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.When a voltage is applied between the two
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.For a given AC or DC voltage 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.
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.By electrowetting, the drop is kept centered or astride the different electrodes. It is thus possible to use holding studs, as explained below.
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, t1 et t2 .At the drop interface 12 - medium 22, there is a vectorial equality between viscous stress jump and tangential electric stress jump. This equality reflects a balance in every point of the interface, a balance that has three components, projected according to the normal unit vector n at the interface and following two unit vectors tangent to this interface, t 1 and t 2 .
La composante normale à l'interface (également appelée bilan normal de quantité de mouvement) contribue à positionner de manière stable l'inclusion.The normal component at the interface (also called the normal momentum balance) helps to position the inclusion stably.
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 t1 à la ligne 20 de contact de l'inclusion liquide 12 concernée.The stirring or centrifugation results in particular from the tangential components of the preceding equilibrium (tangential momentum balances) and more particularly from the tangential component along the tangent t 1 to the
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 dé l'inclusion liquide.The nature and the intensity of the mixture resulting from the
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.It is therefore possible to generate recirculating flows (or vortices) in controlled number and intensity in and around a
Un brassage selon l'invention, par électrohydrodynamique, a été observé sous microscope (
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 t1 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.The geometry of the drop of
D'après (1), la contrainte électrique tangentielle à l'interface s'écrit :
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 E φ respectivement. Par conséquent, pour un champ électrique E = Er n + Eφ t1 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/√2. 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 t1 à la ligne de contact circulaire (ou la projection sur le plan des électrodes de cette ligne de contact).This constraint is the motor of the stirring in the internal and external fluids to the drop or the liquid inclusion; it is proportional to the product of the two main components of the electric field at the interface in the vicinity of the nip: the normal and tangential components, E r and E φ respectively. Therefore, for an electric field E = E r n + E φ t 1 available between the
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
La périodicité (spatiale) de l'alternance, λ, peut être optimisée: on préférera prendre :
Où
Typiquement, R peut varier entre, par exemple, 0,1 mm et 10 mm.Typically, R may vary between, for example, 0.1 mm and 10 mm.
λ peut donc être comprise entre, par exemple, 0,01 mm et 1 mm.λ can therefore be between, for example, 0.01 mm and 1 mm.
Plus généralement, comme indiqué en
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.As described below, this angle constraint is compatible with electrode edges having shapes such as, for example, zig-zag, or spiral.
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.An envelope calculation makes it possible to take into account the angular stress α and leads to
where the symbol a is a homothetic factor.
Sur la
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° (
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
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.
- the number of G is increased,
- the static imbalance of the liquid sample under the effect of electrowetting can be inhibited since the period of rotation of the electric field is much smaller than the time scale associated with the interfacial deformation generated by electrowetting.
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 100µm 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.
- the
liquid inclusions 12, object of the stirring or the centrifugation, have a non-constant volume (diameters evolving from 100 μm 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 to 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.
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 l'évaporation par exemple.The invention therefore remains effective if the volume of the
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 oeuvre des moyens de déplacement de gouttes par électromouillage, type EWOD, tel que par exemple décrit dans
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 :
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:
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 :
où p désigne la distance comprise entre l'axe médian de l'espace inter-électrodes et tout point de la surface de la goutte.An inter-electrode space e equal to 20 μm can be considered. In experiments carried out under a microscope, the potential difference between two
where p denotes the distance between the median axis of the inter-electrode space and any point on the surface of the drop.
Considérons l'exemple d'une goutte d'eau millimétrique (R=1 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 (ρ=0.1mm) et l'apex de la goutte (ρ=1mm), le champ électrique est divisé d'un facteur 10.Let us consider the example of a millimetric drop of water (R = 1 mm) characterized by a dynamic viscosity η water equal to 10 -3 Pa and a relative dielectric permittivity of 78.5 (vacuum permittivity: 8.85 pF). Between the line of contact (ρ = 0.1mm) and the apex of the drop (ρ = 1mm), the electric field is divided by a factor of 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 t̃ ≈ 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.Finally, according to (5) and (6), the typical scale of length on which the induced momentum diffuses under the effect of the viscosity (or thickness of skin set in motion) varies between δ = 0.35 mm in the vicinity of the nip and δ = 3.5 mm at the apex of the drop.
Le nombre de
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.Several parameters allow the control of the nature and the intensity of the fluid movement. It can thus achieve several applications, from mixing to centrifugation.
Un premier paramètre de contrôle est le nombre d'électrodes.A first control parameter is the number of electrodes.
Avec deux électrodes 4, 6 en vis-à-vis (comme sur la
Avec quatre électrodes, pour des raisons physiques analogues, quatre recirculations sont formées (
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.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.
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
Un deuxième paramètre de contrôle est l'angle entre la ligne de contact et les frontières des électrodes.A second control parameter is the angle between the nip and the boundaries of the electrodes.
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 (
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
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.According to the equations above, the driving stress evolves 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 insulation film, and inversely proportional to the thickness of the dielectric and
Sur les
Sur les
La
Sur les
La
Sur la
La
Comme illustré par cette expérience, il est plus généralement possible d'isoler des billes, fonctionnalisées ou non, au coeur 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 coeur ou bien à la périphérie d'un seul ou de plusieurs vortex s'il s'agit d'un brassage plus évolué.As illustrated by this experiment, it is more generally possible to isolate beads, functionalized or not, at the heart of the vortex on the surface of a drop of water subjected to a stirring according to the invention. The proposed invention can thus be applied to the preparation of biological or medical samples, to the isolation of analytes for analysis or to microfluidic concentration purification. in the heart or on the periphery of one or more vortices if it is a more evolved brewing.
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.Isolated constituents can also be extracted within a vortex in view of their subsequent elimination, biochemical characterization or detection.
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.In the context of the extraction of constituents (extractants) from a liquid phase donor to a liquid or gaseous receiving phase, the proposed invention can accelerate the interfacial transfer of extractants by producing a mixture in the phase donor fluid if it takes the form of a drop.
Sur les
La puce EHD de la
- 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.
- take into account the volume variability of the liquid samples: the
30, 30 ', 32, 32', 34, 34 ', 36, 36' of the electrodes are logarithmic spirals,internal boundaries - and force the presence of a single vortex for the purpose of 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.The thicker spirals 30 ', 32', 34 ', 36' signal an electrode boundary separation gap wider than the
D'une manière générale, l'alternance de zones inter-électrodes plus larges et de zones inter-électrodes 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.In general, the alternation of wider inter-electrode zones and less wide inter-electrode zones makes it possible to significantly reduce, in the wider areas, the level of electrical stresses that otherwise would oppose electrical stresses. motor generated by the smaller inter-electrode areas.
En
- 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.
- take into account the volume variability of the liquid samples: the internal boundaries of the electrodes are alternately straight segments and logarithmic spirals,
- and force the presence of a single vortex for the purpose of 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.The electric potentials (-) and (+) are distinguished by their opposite signs. The circle more. thick suggests cutting the electrodes to stabilize the contact line in a fixed position.
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.Indeed, 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.
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.On the other hand, the portion of the electrode outside the
Sur la
Les structures décrites ci-dessus avec les
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.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. For this purpose, it is necessary to allow the zone outside the triple line to be hydrophobic (either by nature or by coating a hydrophobic film) while the inner zone is hydrophilic, either by nature or by EWOD activation, or by deposition of a hydrophilic film.
Les
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).The
Dans le cas de la
Dans le cas de la
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.A trapping of the triple line makes it possible to ensure the balance of the
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
Dans les modes de réalisation mettant en oeuvre plus de deux électrodes, la goutte est centrée sur l'intersection des bords internes des électrodes (point « O » sur les
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.Rather than considering a liquid inclusion placed on a single chip, it is possible to consider a liquid inclusion sandwiched between two chips linked to two superposed horizontal walls. As in the case where we increase the number of electrodes, we will double the actuation capabilities. However, the interfacial electrical stresses only induce the momentum on a fluid thickness of a few millimeters. The viscous friction increases proportionally to the inverse of the distance separating the two horizontal walls.
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.The invention can be applied to extract analytes concentrated at the apex of a
Les
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 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.vortex - 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 ; - iii) 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 oeuvre 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 dansA. Klingner et al., Self Excited Oscillatory dynamics of capillary bridges in Electric Fields, Applied physics Letters, Vol.82, 2003, p. 4187-4189 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.
- i) centrifugation step on the lower horizontal wall equipped with the EHD chip 2 (
figure 12a ), by activation of this chip, and deactivation of the electrode of the upper wall. This results in centrifugation in theliquid inclusion 12 deposited on the chip, with the creation of 13, 15; 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.vortices - ii) there is then electrical deactivation on the
bottom wall 2, for a period of time leading to the formation of acapillary bridge 110 with the upper wall equipped with anelectrode 200 which is deactivated (figure 12b ); there is then relative dewetting at the level of thebottom wall 2; - iii) the preceding step is followed by electrical reactivation of the
EHD chip 2 and the upper electrode 200 (figure 12c ) for the implementation of the electrowetting and the specific extraction of a supernatant 123 (in the upper drop 122) and a pellet (lower drop 120). Thecapillary bridge 110 is cut (technique described inA. Klingner et al., Self Excited Oscillatory Dynamics of Capillary Bridges in Electric Fields, Applied Physics Letters, Vol.82, 2003, p. 4187-4189 constituents 123 are less dense than the sample liquid, the upper inclusion contains the supernatant to be analyzed (case offigure 12c ); and if theconstituents 123 are denser than the sample liquid, it is the lower inclusion which contains the pellet to be analyzed.
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 :
L'opération peut se dérouler en trois étapes.The operation can take place in three stages.
La première étape consiste à centrifuger l'échantillon liquide afin de provoquer la concentration micro-fluidique de constituants cibles.The first step is to centrifuge the liquid sample to cause the microfluidic concentration of target constituents.
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.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.
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.
- either 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; we are thus brought back to the previous technique,
- either ejection of one or more drops (electro-spray, as explained in the articles of Taylor, Ramos and Ganan-Calvo cited above). In which case, or 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.
La
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.A
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).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).
Grâce au mécanisme physique mis en oeuvre dans l'invention (l'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.Thanks to the physical mechanism used in the invention (the electro-hydrodynamics), the speed range allowing 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.
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 :
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).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 (η p <η s ).
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.It is also possible, from a
Sur la
Cette technique, mettant en oeuvre 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.This technique, implementing the joint use of a continuous
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 (
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.The primary phase is for example a liquid sample placed on a chip according to the present invention. Surrounded by a secondary liquid, a movement of electrical origin is generated at the p / s interface which propagates within the secondary liquid via the viscosity.
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.
- Either it is impossible to generate motor electrical stresses and in this case the internal stirring created within the tertiary inclusion is of purely viscous origin; (7) simplifies itself in the form,
- Either it is possible to generate by means of electric motor constraints an internal stirring inside the tertiary liquid inclusion; in which case it is placed on an EHD chip, and the internal stirring is generated not only by means of the electrical drive constraints but also by viscous drive at the interface, because the flow of the fluid secondary is also due to the driving role of the primary liquid inclusion.
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.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.
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 (
La présente invention permet donc d'engendrer un mouvement en volume au sein d'un échantillon liquides 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.
- either one or more drops placed on one or more chips (
Figures 13 or 14 ) - a capillary bridge trapped between two chips (
figure 12a-12c ) - The present invention can therefore be used to set in motion a secondary fluid in the context of continuous microfluidics. 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.
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).
- centrifugation or microfluidic concentration,
- local fragmentation or tearing of part of the liquid inclusion to select and then manipulate or remove constituents concentrated locally at the end of the previous step (for example, a centripetal-centrally concentrated supernatant at the apex of an inclusion liquid).
Un exemple particulier de réalisation de ce procédé est illustré sur les
Enfin (
Sur les
L'instrumentation rhéologique à micro-échelle est un secteur d'applications de l'invention. Des micro-rhéomètres basés sur l'électrocinétique sont actuellement en phase de développement (
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.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.
Des applications de l'invention à ce domaine biologique vont être décrites.Applications of the invention to this biological field will be described.
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.Most known techniques for detecting biological targets have an important defect: all of them previously require purification and more generally preliminary preparation of the biological samples to be analyzed.
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 (
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.The ELISA is another technique, widespread detection, immunoanalysis type 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. But again, the biological samples must first be subject to a minimum purification step.
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.Among the techniques aimed at developing an alternative to PCR, detection without amplification is a sensitive technique while allowing the reduction of the detection time. The principle of non-amplification detection relies on the capture of target DNA segments, however few they may be.
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 élués (par augmentation de la température au-delà de 50°C) et viennent s'hybrider sur la surface solide fonctionnalisée, avant la phase de détection (
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
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 (
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.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.
En effet, en permettant une centrifugation au sein d'un échantillon liquide 12 (
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.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. In this case 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.
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.The invention also makes it possible to improve the performance of PCR or PMCA for the detection of DNA or proteins. After the microfluidic concentration step, using a device according to the invention and according to the centrifugation method according to the present invention, applied either to target DNA segments adsorbed directly to the functionalized interface From the liquid inclusion (a drop of aqueous solution) to functionalized microbeads, it is possible to specifically collect the concentration zone by electrowetting or by emission of droplets from a Taylor cone, as already explained here. -above.
Il 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
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.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.
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).Another example of application is the following. 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.
Claims (14)
- A processing device of a drop (12) of liquid, deposited on the device and fixed relatively to the latter, comprising:- at least two first electrodes (4, 6, 24, 26) forming a plane and having edges (14, 16) facing each other, such that the contact line (20) of the drop (12), has a tangent forming, when projected onto the plane of the electrodes, an angle strictly comprised between 0° and 90° with the edges facing each other of the electrodes, characterised by:- means (11) allowing application between the two first electrodes (4, 6, 24, 26) of a potential difference which gives rise to an oblique electric field, relatively to the liquid/surrounding interface, in way to create vortex (13, 15) in the drop (12) of liquid;- means (30', 32', 34', 36', 80) to trap the contact line (20) defined by the drop deposited on the device.
- The device according to claim 1, the angle being comprised between 40° and 50°.
- The device according to claim 1 or 2, the edges of the electrodes facing each other having a zigzag shape or a logarithmic spiral shape.
- The device according to any of claims 1 to 3, the edges of the electrodes forming with the projection of the contact line, an angle strictly comprised between 0° and 90°, alternating with electrode edges forming an angle of 90° with the projection of this same circular contact line (20) and/or the separation spaces of the edges (14, 16) of the electrodes facing each other having alternately a first value and a second value that is less than the first.
- A pumping device including at least one device according to any of claims 1 to 4, and means for bringing a second fluid (12') into contact with a drop (12) of liquid positioned on the device.
- The device according to any of claims 1 to 5, further including an insulating layer (10).
- A method for processing a drop (12) of liquid in a surrounding medium (22), having relatively to each other different dielectric properties and/or different resistivities, including:- positioning the drop on a device including at least two first electrodes (4, 6, 24, 26) having edges (14, 16) facing each other, so that the projection of the contact line (20) of the drop (12) on the plane containing the electrodes has a tangent forming with these electrode edges an angle strictly comprised between 0° and 90°,- applying an oblique electric field relatively to the liquid/surrounding medium interface, in way to create a circulating flow (13, 15) inside the drop (12) of liquid, a triple line (20), being a contact line between the drop of liquid, the surface device on which the drop of liquid is positioned and the surrounding medium, being fixed.
- The method according to claim 7, the electric field applied between the two first electrodes (4, 6, 24, 26) generated a single circulating flow or a single vortex in the drop (12).
- A microfluidic concentration method by mixing or centrifuging a drop of liquid, notably for detecting antibodies, or antigens, or proteins or protein complexes, or DNAs or RNAs, including the application of a method for forming at least one circulating flow or vortex (13, 15) in said drop (12) of liquid, in accordance with a method according to any of claims 7 to 8.
- The method according to claim 9, a detection step being carried out, after mixing or centrifuging, without displacement of the drop, including a step for extracting liquid from the drop, for example by carried out by electrowetting or by emitting droplets from a Taylor cone, and including eventually a step for transferring extracted liquid towards a detection area.
- A method for forming a microemulsion including:- bringing two volumes of liquids closer by displacing them relative to each other, for example by electorwetting,- a step for applying a method according to any of claims 7 to 10.
- A method for pumping a secondary fluid (12') by a drop of primary fluid (12), including the application of a method for forming at least one circulating flow or vortex (13, 15) in said drop (12) of primary fluid, in accordance with a method according to any of claims 7 to 11.
- A method for extracting an analyte from a drop of liquid including:- the application of microfluidic concentration method according to claim 9,- a deactivation of the at least two first electrodes, and the formation of a capillary bridge (110) between the first insulating surface (10) and a wall including at least a second electrode (200),- the electric activation of the first electrodes and of the second electrode (200), and the cutting of the capillary bridge.
- A method for extracting particles including the application of a method according to any of claims 7 to 13, the surrounding medium consisting of a second liquid containing particles (23) which have settled beforehand on the interface of the two liquids, and then the separation of the side portions, containing the particles (23), and of a central portion of the drop (22), for example by cutting by means of electrowetting.
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