EP2165753A2 - Micro-dispositif d'analyse d'echantillons liquides - Google Patents

Micro-dispositif d'analyse d'echantillons liquides Download PDF

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Publication number
EP2165753A2
EP2165753A2 EP09170824A EP09170824A EP2165753A2 EP 2165753 A2 EP2165753 A2 EP 2165753A2 EP 09170824 A EP09170824 A EP 09170824A EP 09170824 A EP09170824 A EP 09170824A EP 2165753 A2 EP2165753 A2 EP 2165753A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drop
waves
excitation electrode
electrode
liquid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09170824A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2165753A3 (fr
Inventor
Laurent Davoust
Jérôme BOUTET
Cyril Picard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Institut Polytechnique de Grenoble
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Institut Polytechnique de Grenoble filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2165753A2 publication Critical patent/EP2165753A2/fr
Publication of EP2165753A3 publication Critical patent/EP2165753A3/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/302—Micromixers the materials to be mixed flowing in the form of droplets
    • B01F33/3021—Micromixers the materials to be mixed flowing in the form of droplets the components to be mixed being combined in a single independent droplet, e.g. these droplets being divided by a non-miscible fluid or consisting of independent droplets

Definitions

  • the present invention relates to the general field of the analysis of liquid samples, in particular for the detection of constituents possibly present in the sample.
  • the liquid sample to be analyzed can be in the form of a drop.
  • the term "drop” here includes substantially hemispherical drops, puddles or capillary bridges.
  • the invention particularly relates to a device for forming surface waves at the interface of a drop of liquid by electrowetting.
  • the proposed invention finds many applications in the concentration and detection of biological or chemical targets, the rheological characterization of fluid samples, or even the transmission of microfluidic movements.
  • This may be the case, for example, for establishing a biological or medical diagnosis, or in the field of genetic or agri-food engineering. It can be sought to detect or assay in particular macromolecules, cells, analytes, organelles, pathogens, intercalants.
  • Environmental detection seeks to determine the concentration including pathogens, metals, solid particles, colloids in liquids of interest.
  • the discrete microfluidic allows the manipulation and the displacement of drops of very small volume. It plays an increasing role in the development of new micro-systems such as lab-on-a-chip, and allows to carry out numerous analysis steps in chains.
  • biochips which constitute, in the field of molecular biology, nucleic acid hybridization analysis systems (DNA and / or RNA), or antigen / type interaction.
  • DNA and / or RNA nucleic acid hybridization analysis systems
  • antigen / type interaction antibody, protein / ligand, protein / protein, enzyme / substrate, etc.
  • the detection of biological molecules can be carried out using PCR or ELISA techniques known to those skilled in the art. These techniques usually use the grafting of a labeled probe molecule of a fluorescent compound. The level of fluorescence emitted is then measured by optical means to thus quantify the hybridization process.
  • the detection techniques are generally preceded by a preparation of the liquid sample to be analyzed.
  • the preparation may consist of mixing or mixing the liquid of the sample and then the concentration of the biological molecules in a determined zone, for example at the fluid interface of the liquid sample.
  • This device makes it possible to generate a circulating flow, or vortex, inside the drop by electrohydrodynamics without inducing deformation interfacial nor overall displacement of the drop.
  • This vortex then makes a mixture of the liquid of the drop, by stirring or centrifugation, which makes it possible to accelerate the hybridization kinetics while being compatible with the constraints of miniaturization. It also makes it possible to concentrate the constituents at the interface of the drop under the effect of a centrifugal force, for a more sensitive detection.
  • the drop is disposed on a dielectric layer covering two electrodes having zigzag-shaped edges facing one another.
  • the application of a potential difference between these two electrodes gives rise to an oblique electric field with respect to the interface of the drop, because of the shape of the edges and the position of the drop.
  • the tangential component of the electric field then causes the displacement of the electrical charges accumulated at the interface, which induces by viscosity a flow of the liquid inside the drop.
  • This device thus makes it possible to mix the liquid of the drop and to concentrate the constituents at the interface of the drop, thus making it possible to carry out purification, extraction or even more precise detection.
  • the device according to the prior art has a number of disadvantages.
  • the intensity of the vortex generated depends on that of the electric field. However, it decreases sharply as one moves away from the electrodes. Also, the vortex is noticeably located near electrodes. The mixture made in the drop is not homogeneous, and the constituents are more concentrated near the electrodes and the triple line.
  • the vortex does not make it possible to give by itself the information sought on the constituents possibly present in the drop, as their concentration or the kinetic parameters of chemical or biological interactions, except by implementing heavy speed field visualization techniques, such as micro-PIV (Particle Image Velocimetry). It is then necessary to use detection techniques (PCR, ELISA, etc.) which involve the labeling of probe molecules, and which entail a high cost and a high processing time.
  • heavy speed field visualization techniques such as micro-PIV (Particle Image Velocimetry).
  • detection techniques PCR, ELISA, etc.
  • the object of the present invention is to provide a device for ensuring the mixing of the liquid of a drop and a significant concentration of constituents possibly present at the interface in an area of the interface substantially distant from the triple line of the drop.
  • the invention firstly relates to a wave forming device at the interface of a liquid drop by electrowetting.
  • said device comprises at least one excitation electrode adapted to generate an oscillating and radial electric field around a first axis of symmetry, under the effect of an electric control, so that in the presence of a drop of liquid disposed on said excitation electrode and having an axis of symmetry substantially coinciding with said first axis of symmetry, said electric field generates waves at the interface of said drop, said generated waves being substantially axisymmetric.
  • substantially axisymmetric waves is meant mainly or even exclusively axisymmetric waves.
  • these axisymmetric waves generated by electrowetting at the triple line propagate uniformly over the entire interface of the drop and cause a substantially homogeneous micromixing of the liquid of the drop.
  • the axisymmetric nature of the waves makes it possible to obtain a resonant mode in a determined zone remote from the triple line and from the excitation electrode. It is then possible to obtain a potentially significant concentration in this zone of constituents possibly present at the interface, in particular of larger components.
  • the resonant mode is obtained substantially at the apex (top) of the drop.
  • the concentration of constituents at the interface may be substantially homogeneous or increase as one moves away from the wetting plan containing the triple line of the drop, depending on whether these axisymmetric waves are substantially stationary or progressive.
  • said formed waves exhibit a substantially linear behavior.
  • said waves have an amplitude-to-wavelength ratio of between 10 -5 and 1.
  • said waves have an amplitude ratio on wavelength between 10 -5 and 10 -1.
  • said waves have an amplitude-to-wavelength ratio of between 10 -4 and 10 -2 .
  • said waves have an amplitude-to-wavelength ratio of the order of 10 -3 .
  • said waves have a drop radius amplitude ratio of less than or equal to 10 -1 , preferably less than or equal to 10 -2 , preferably of the order of 10 -3 .
  • ray of the drop we mean the radius of a half-sphere modeling the drop disposed on said excitation electrode in the absence of waves at the interface, or the radius, said equivalent radius, of a sphere having a volume equal to that of said drop.
  • the device comprises a single excitation electrode having substantially a disk shape.
  • the device comprises a single substantially annular excitation electrode.
  • the device comprises a first substantially annular excitation electrode and a second counter electrode excitation electrode having substantially a disc shape surrounded by said first excitation electrode.
  • the device comprises a first excitation electrode and a second counter-electrode excitation electrode, each having substantially a half-annular shape arranged facing one another.
  • the device comprises a first excitation electrode and a second excitation electrode forming a counter-electrode, each having substantially a half-disc shape arranged facing one another.
  • the excitation electrode or electrodes may comprise an inner edge defining a substantially circular inner edge, the triple line of said drop being preferably substantially opposite said inner edge.
  • the excitation electrode or electrodes may also comprise an outer edge defining a substantially circular outer edge, the triple line of said drop being preferably substantially opposite said outer edge.
  • the device may comprise a voltage generator for applying an electric potential to said excitation electrode different from that of said drop.
  • the device may comprise a voltage generator for applying a potential difference between the first excitation electrode and the counter-electrode.
  • said electric field induces a difference in electrowetting potential between the excitation electrode and said drop having a frequency of between 10 Hz and 150 Hz.
  • Said difference in electrowetting potential may have an amplitude of between 1V and 100V.
  • said electrowetting potential difference has an amplitude of between 1V and 50V.
  • the excitation electrode or electrodes are covered with a layer of a dielectric material.
  • said dielectric layer is covered with a layer of a hydrophobic material.
  • said dielectric layer is hydrophobic.
  • the device may comprise means for trapping the triple line of said drop.
  • the wave forming device may further comprise at least one excitation electrode secondary electrode, located opposite, parallel to said excitation electrode, adapted to generate an oscillating and radial electric field around a third axis of symmetry substantially coinciding with said first axis of symmetry, under the effect of said electric control.
  • said drop may be a capillary bridge formed between said excitation electrode and said secondary excitation electrode.
  • the geometric characterization means are means for measuring the amplitude of the waves formed.
  • the means for measuring the amplitude of the waves formed may be measuring means by light absorption and / or interferometry.
  • the geometric characterization means are means for measuring the slope of the waves formed along a line of the interface.
  • the means for measuring the slope of the waves formed may be measuring means by refractometry.
  • the geometric characterization means may be both means for measuring the amplitude of the waves formed and means for measuring the slope of the waves formed along a line of the interface.
  • the kinematic characterization means may be means for measuring the normal speed of the waves formed.
  • the characterization of geometric or kinematic waves makes it possible to determine the physicochemical properties of the liquid, in particular its interfacial properties.
  • the amplitude or the slope of the waves informs about the present constituents, and makes it possible to obtain the kinetic parameters or equilibrium constants associated with possible chemical interactions.
  • the detection techniques are simpler to implement than in the prior art, while ensuring high accuracy.
  • Optical techniques refractometry, light absorption, interferometry, ellipsometry
  • axisymmetric nature of the waves makes it possible to obtain a resonance phenomenon in an area of the interface remote from the triple line.
  • the analysis means based on the geometric or kinematic characterization of the waves, preferably in this zone, make it possible to calculate the mechanical or physicochemical properties of the liquid, in particular the interfacial properties.
  • the analysis technique is non-intrusive, so there is no risk of physicochemical denaturation of the liquid sample or disturbance of the possible molecular organization at the interface.
  • the device for analyzing a drop of liquid can perform the analysis of the chemical properties of the drop without labeling biological or chemical targets contained in the drop.
  • the device for analyzing a drop of liquid may further comprise measuring means, at the interface of said drop, of the concentration of marked biological or chemical targets.
  • the analysis has increased accuracy because of the use of several methods of chemical analysis.
  • the device for analyzing a drop of liquid comprises a wave-forming device according to any one of the characteristics described above, and measuring means, at the interface of said drop, concentration of marked biological or chemical targets.
  • Said targets may be labeled with a fluorescent or radioactive compound.
  • Said waves may have an amplitude-to-wavelength ratio of between 10 -5 and 1, preferably between 10 -5 and 10 -1 , preferably between 10 -4 and 10 -2 , preferably of the order of 10 -5. -3 .
  • Said waves may also have an amplitude to radius ratio of the lower drop or equal to 10 -1 , preferably less than or equal to 10 -2 , preferably of the order of 10 -3 .
  • the invention also relates to a method for analyzing a drop of liquid, comprising the implementation of a wave forming method according to any one of the characteristics described above, a step of geometric characterization of said formed waves. then a step of analyzing the physical and / or chemical properties of said drop, from the geometrical characterization of said formed waves.
  • the geometric characterization step can be a measure of the amplitude of the waves formed.
  • the measurement of the amplitude of said waves is carried out in a determined zone of the interface substantially remote from the triple line of the drop.
  • the geometric characterization step is a measurement of the slope of the waves formed along a line of the interface.
  • the invention also relates to a method for analyzing a drop of liquid, comprising the implementation of a wave forming method according to any one of the preceding characteristics, a step of kinematic characterization of said formed waves, then a step of analyzing the physical and / or chemical properties of said drop, from the kinematic characterization of said formed waves.
  • the kinematic characterization step may be a measure of the normal velocity of the formed waves.
  • the invention also relates to a method for analyzing a drop of liquid according to one of any of the previously described features, further comprising a step of measuring, at the interface of said drop, the concentration of labeled biological or chemical targets.
  • the invention relates to a method for analyzing a drop of liquid, comprising the implementation of a wave forming method according to any one of the preceding characteristics, and a measurement step, at the interface of said drop, of the concentration of marked biological or chemical targets.
  • the invention finally relates to the use of a wave forming device according to any one of the preceding characteristics, or to an analysis device according to any one of the preceding features, said drop of liquid being a drop of blood.
  • a device according to the invention implements a device for exciting a drop of liquid by electrowetting, or more precisely, by electrowetting on a dielectric.
  • a drop of an electrically conductive liquid F1 rests on an excitation electrode 20, from which it is isolated by a dielectric layer 12 and a hydrophobic layer 13. There is therefore a hydrophobic and insulating stack.
  • this layer 13 means that the drop F1 has a contact angle, on this layer, greater than 90 °.
  • the excitation electrode 20 is formed on the surface of a substrate 11, or integrated therewith.
  • This counterelectrode 30 may also be a buried wire or a planar electrode in the hood of a confined system. However, she may also not be present.
  • the excitation electrode 20 and the counter electrode 30 are connected to a voltage source 50 for applying an electrowetting voltage U between the electrodes.
  • the drop assembly F1, dielectric layer 12 and activated electrode 20 acts as a capacitance.
  • the liquid behaves like a conductor insofar as the frequency of the bias voltage is substantially lower than a cutoff frequency. This depends in particular on the electrical conductivity of the liquid, and is typically of the order of a few tens of kilohertz (see for example the article of Mugele and Baret entitled “Electrowetting: from basics to applications", J. Phys. Condens. Matter, 17 (2005), R705-R774 ).
  • the frequency may be substantially greater than the hydrodynamic response frequency of the liquid F1, which depends on the physical parameters of the drop such as the surface tension, the viscosity or the size of the drop, and which is the order of a few hundred hertz.
  • the response of the drop F1 thus depends on the rms value of the voltage, since the contact angle depends on the voltage U 2 .
  • a wave forming device at the fluid interface of a drop of liquid according to the first preferred embodiment of the invention is shown schematically on the figure 2 , in longitudinal section.
  • the device comprises an excitation electrode 20 forming a plane and integrated in a first substrate 11.
  • the device comprises a single excitation electrode 20 in substantially disk form ( figure 3A ).
  • a substantially annular shape is also possible, as described later with reference to the figure 3B .
  • the plane containing the excitation electrode substantially parallel to the plane (i, j) of the direct orthonormal coordinate system ( i , j , k ) is called the median plane of the electrode.
  • the excitation electrode 20 is covered with a layer of a dielectric material 12.
  • said dielectric layer 12 is covered with a layer of a hydrophobic material 13 (not shown).
  • the wave forming device comprises a drop of liquid F1 in contact with the hydrophobic layer so as to at least partially cover the excitation electrode 20.
  • the term "drop” can designate a substantially semispherical droplet, a puddle, or even a capillary bridge.
  • the drop F1 is substantially semi-spherical, more precisely hemispherical.
  • the verbs "cover”, “be arranged on” do not necessarily imply direct contact with the excitation electrode.
  • the drop may cover, or be arranged on the excitation electrode 20, without being in direct contact with it, for example when a hydrophobic layer 13 and / or a dielectric layer 12 covers said electrode 20.
  • the interface I of the drop is the fluid interface formed between the liquid of the drop F1 and a surrounding fluid F2.
  • the line of the drop in contact with the hydrophobic layer and belonging to the drop interface is called triple line.
  • the triple line is preferably substantially circular.
  • the interface forms an angle of contact with the plane of the triple line, this angle being conventionally measured in the liquid of the drop.
  • the contact angle is substantially greater than 90 °.
  • the drop may contain constituents in the volume and at the interface.
  • constituents denotes all the species that may be present in the drop (macromolecules: DNA, RNA, proteins, cells, organelles, actinides, colloids or solid particles, etc.). We can also talk about biological or chemical targets.
  • the excitation electrode 20 has a first axis of symmetry and the drop F1 has a second axis of symmetry which coincides substantially with the first axis.
  • the first and second axes of symmetry are preferably substantially perpendicular to the median plane.
  • the excitation electrode 20 has an edge 22 forming an outer edge.
  • the outer edge is substantially circular, because of the axis of symmetry of the electrode.
  • the droplet is preferably arranged so as to at least partially cover the excitation electrode 20.
  • the triple line is preferably located substantially opposite the edge exterior.
  • the excitation electrode 20 is adapted to generate an oscillating and radial electric field around the first axis of symmetry. For this, it can be connected to a voltage generator 50 which applies a potential to the electrode 20 substantially different from that of the drop F1. A so-called electrowetting potential difference is then generated between the excitation electrode 20 and the drop F1.
  • the electrowetting voltage generated by the voltage generator 50 can comprise a first V component or high frequency, and a so-called excitation voltage modulation v.
  • the excitation modulation is noted v ( ⁇ ) and has a frequency ⁇ substantially less than the hydrodynamic response frequency of the drop.
  • the frequency ⁇ can be between 10 Hz and 500 Hz, and preferably between 10 Hz and 150 Hz.
  • the amplitude A v can be between 1V and 100V, and preferably between 1V and 50V.
  • the low frequency modulation v ( ⁇ ) makes it possible to harmonically modulate the contact angle. Because the frequency is less than the hydrodynamic response frequency, the variation of the contact angle substantially follows the amplitude and frequency of the modulation v . We can then talk about oscillatory electro-jetting.
  • the first component is denoted V and can be continuous, between 1V and a few hundred volts, for example 200V. Preferably, it is of the order of a few tens of volts. It can also be a high frequency alternating voltage V ( ⁇ ) of frequency ⁇ , substantially greater than the hydrodynamic response frequency, for example between 500 Hz and 10 kHz, preferably of the order of 1 kHz.
  • V ( ⁇ ) of frequency ⁇
  • the rms value can vary between 1V and a few hundred volts, for example 200V. Preferably, it is of the order of a few tens of volts.
  • This component V makes it possible to impose a determined contact angle at the interface of the drop and thus to adjust the general shape thereof.
  • the voltage generator 50 can also generate a low-frequency electrowetting voltage, which does not include a V- component or a high-frequency component.
  • the amplitude and the frequency correspond to the values described for the excitation modulation v.
  • the excitation electrode 20 may be produced by depositing a thin layer of a metal chosen from Au, Al, ITO, Pt, Cu, Cr ... or an Al-Si alloy ... conventional microtechnologies of microelectronics, for example by photolithography. The electrode 20 is then etched in a suitable pattern, for example by wet etching.
  • the thickness of the electrode 20 may be between 10 nm and 1 ⁇ m, preferably 300 nm. Its size depends on the size of the F1 drop to be excited. She will be preferentially commensurable with the size of the drop.
  • a dielectric layer 12 may cover the excitation electrode 20. It may be made of Si 3 N 4 , SiO 2 , SiN, barium strontium titanate (EST) or other high-permittivity materials such as HFO 2 , Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 [29], Ta 2 O 5 -TiO 2 , SrTiO 3 or Ba 1-x Sr x TiO 3 .
  • the thickness of this layer 12 may be between 100 nm and 3 ⁇ m, generally between 100 nm and 1 ⁇ m, preferably 300 nm.
  • the dielectric layer 12 of SiO 2 can be obtained by thermal oxidation.
  • a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process is preferred to the low pressure vapor deposition (LPCVD) process for thermal reasons. Indeed, the temperature of the substrate is only brought between 150 ° C and 350 ° C (depending on the desired properties) against 750 ° C for LPCVD deposit.
  • a hydrophobic layer 13 may be deposited on the dielectric layer 12.
  • a Teflon deposit by dipping, by spin coating , or by spray, or plasma-deposited SiOC can be carried out.
  • Hydrophobic silane deposition in the vapor or liquid phase can be carried out. Its thickness is between 100 nm and 5 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m. This layer 13 makes it possible in particular to reduce or even to avoid the effects of hysteresis of the wetting angle.
  • the liquid of the drop F1 is electrically conductive and may be an aqueous solution charged with ions, such as Cl -, K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+, Zn 2+, Mn 2+, other.
  • the liquid can also be mercury, Gallium, eutectic Gallium, or ionic liquids of the type bmim PF 6 , bmim BF 4 or tmba NTf 2 .
  • the radius of the drop F1 may for example be between 10 microns and centimeter, and preferably be 1mm.
  • the surrounding fluid F2 is preferably insulating and may be air, a mineral oil or silicone, a perfluorinated solvent, such as FC-40 or FC-70, or an alkane.
  • the surrounding fluid F2 is immiscible with the conductive liquid F1 of the drop.
  • the voltage generator 50 applies a potential to the excitation electrode 20 substantially different from that of the drop F1.
  • An electrowetting voltage U is then generated between the excitation electrode 20 and the drop F1. Due to the common symmetry of the excitation electrode 20 and the drop F1, the associated electric field is substantially normal to the triple line, in the plane thereof.
  • the electric field therefore has substantially no tangential component, which avoids any electrohydrodynamic or electrokinetic phenomenon of vortex formation, such as, for example, in the device according to the prior art for example.
  • Voltage modulation v induces a substantially isotropic contact angle variation along the triple line.
  • the drop F1 does not undergo substantially any displacement, in particular in the wetting plane.
  • the electric field is thus oscillating and radial about the axis of symmetry of the drop F1 and the excitation electrode 20.
  • the electric field then causes a variation of the contact angle and possibly an oscillating and radial displacement of the triple line around an equilibrium position.
  • the harmonic variation of the contact angle then generates a network of axisymmetric waves at the interface I of the drop F1, from the triple line.
  • the waves propagate uniformly at the interface, thus achieving a micro-mixing of the liquid of the drop F1 substantially homogeneous.
  • a resonant mode is obtained at the apex 41 of the drop, that is to say in the zone substantially furthest from the drop.
  • the amplitude is then maximum at the apex 41 and has a defined frequency.
  • the waves have an amplitude preferably between 10 nm and 100 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m.
  • the wavelength may be such that the amplitude to wavelength ratio is between 10 -5 and 1, preferably between 10 -4 and 10 -2 , preferably of the order of 10 -3 .
  • the interface I of the drop F1 can be functionalized in order to selectively capture these constituents.
  • the device according to the invention then makes it possible to concentrate the constituents from the volume of the drop at its interface.
  • the concentration is significant at the apex 41 of the F1 drop, and thus eliminates the disturbances due to the boundary conditions (triple line, wall of the hydrophobic layer).
  • the progressive component of the wave array can allow a selective concentration of the adsorbed components at the interface I of the drop F1. It can transport the constituents to the apex 41 of the drop, differentially depending on the extent of their molecular section. Here again, the concentration at the apex 41 is made significant.
  • Constituents not transported by the waves are likely to remain in the vicinity of the triple line.
  • a variant of the first embodiment of the invention relates to the shape of the excitation electrode 20.
  • the excitation electrode 20 may have an annular shape whose axis of symmetry substantially coincides with that of the drop F1.
  • the triple line can be located, in the absence of electrostatic stress, substantially opposite the inner border, or the outer border, or between the two borders.
  • the triple line is, out of electrostatic stress, substantially opposite the inner edge makes it possible to easily control the spreading of the drop under the effect of the electrowetting voltage.
  • the triple line is, out of electrostatic stress, substantially opposite the outer edge allows to use it as a trapping line of the triple line.
  • a second embodiment of the invention is shown on the figure 4 wherein the device comprises a first excitation electrode 20, and a second excitation electrode 30 forming a counter-electrode.
  • the counter-electrode 30 is planar, integrated in said substrate 11, and included in the median plane of the first excitation electrode 20.
  • the figure 4 is a schematic representation in longitudinal section of a device comprising an annular excitation electrode 20 surrounding the disk-shaped counterelectrode 30.
  • the two electrodes 20, 30 have an axis of symmetry substantially coinciding with that of the drop.
  • the Figure 5A is a top view of said electrodes.
  • the spacing between the electrodes can be between 1 .mu.m and 10 .mu.m.
  • a generator The voltage difference 50 can apply a potential difference to the electrodes 20, 30.
  • This potential difference makes it possible to generate a potential difference, referred to as electrowetting, between the electrodes 20, 30 and the drop F1.
  • the electrowetting voltage has the same characteristics as in the first embodiment and is therefore not described again here.
  • the waves formed at the interface are also identical to what has been described previously.
  • the triple line of the drop is, out of electrostatic stress, preferably located substantially opposite the outer edge of the counter electrode 30, of the inner or outer edge of the excitation electrode 20.
  • the geometry of this border 22 may be arbitrary, for example polygonal, since the electric field at the triple line remains radial.
  • FIGS. 5B and 5C are top views of the first excitation electrode 20 and the second excitation electrode 30 forming a counter-electrode.
  • the Figure 5B illustrates half annular electrodes 20, 30 and the Figure 5C electrodes 20, 30 in the form of a half-disc.
  • Each electrode is arranged facing one another, so that the electrical activation of the electrodes 20, 30 by the voltage generator 50 makes it possible to generate a radial electric field around the first axis of symmetry.
  • the minimum spacing between the electrodes can be between 1 .mu.m and 10 .mu.m.
  • the advantage of using a second electrode electrode 30 against the electrode is to set the potential of the drop to a substantially equidistant value of the potentials of the two electrodes 20, 30.
  • the electrowetting voltage is thus better defined in the first embodiment in which the drop F1 has a floating potential.
  • the dielectric layer 12 is not essential to the phenomenon of electrowetting. Indeed, in the absence of a dielectric layer 12, the drop F1 is then in electrical contact with the excitation electrode 20. During the activation of the electrode 20, an electric double layer is formed in the droplet. the surface of the electrode 20 and forms a dielectric layer whose thickness is of the order of magnitude of the Debye distance (a few tens of nanometers). The electrowetting voltage applied remains advantageously low in order to avoid electrochemical phenomena such as the electrolysis of water.
  • the triple line may be trapped by a ring-shaped roughness etched in the solid substrate.
  • the waves are not formed by the oscillating and radial displacement of the triple line but by the harmonic variation of the contact angle.
  • the device according to the invention has the advantage of not requiring a counter-electrode arranged in direct electrical contact with the drop, for example in the form of a suspended wire.
  • the electric field remains normal to the triple line.
  • the waves formed are therefore axisymmetric, thus avoiding any disturbance of the axis of symmetry due to the presence of the counter-electrode.
  • a counter-electrode in direct contact with the drop for example in the form of suspended wire, can disturb the concentration of the constituents at the interface.
  • the figure 6 is a schematic representation in longitudinal section of the device according to a third embodiment of the invention.
  • the device no longer comprises a single plane substrate 11, but also a second substrate 11-1, disposed opposite the first 11 and substantially parallel thereto.
  • the second substrate 11-1 also comprises at least one excitation electrode 20-1, 30-1, opposite the that 20, 30 of the first substrate.
  • a hydrophobic layer and a dielectric layer 12-1 can also be provided.
  • a drop F1 can be sandwiched between the two substrates so as to form a capillary bridge.
  • the lower excitation electrodes 20, 30 and 20-1, 30-1 are connected to the voltage generator 50, or as shown in FIG. figure 6 to a second voltage generator 50-1 synchronous with the first 50.
  • the resonant mode is here formed at the central section 42 of the capillary bridge.
  • the constituents can thus be transported to the central section 42 of the liquid bridge, differentially according to the extent of their molecular section.
  • the device then makes it possible to concentrate the constituents of the interface at the interface line of the central section 42 of the capillary bridge.
  • the device according to the third embodiment has an operation and an embodiment substantially similar to what has been described in the first and second embodiments.
  • the invention also relates to an analysis device comprising a device for forming waves at the interface of a droplet according to any one of the embodiments described above.
  • the analysis of the drop may be performed for the purpose of rheological analysis, to measure surface tension, dynamic viscosity, interfacial viscosity and elasticity, etc. It can also detect in real time the interfacial aging and thus the concentration of target constituents.
  • the device for analyzing a drop of liquid comprises a wave forming device as described above, means for geometric characterization of the waves formed, and analysis means, connected to said Geometric characterization means for analyzing, from the geometrical characterization of the waves formed, the physical and / or chemical properties of said drop F1.
  • the geometric characterization means are means for measuring the amplitude of the waves formed, for example, by light absorption and / or interferometry.
  • the measurement of the amplitude is preferably local, in the interfacial zone of the resonant mode, that is to say at the level of the apex 41 for a semi-spherical drop, and at the central section 42 of a capillary bridge.
  • the figure 7 gives an example of an analysis device with amplitude measurement, here at the apex of a semi-spherical drop.
  • the measurement of the amplitude is preferably localized in the zone of the resonant mode 41.
  • the resonant nature of the waves is particularly sensitive to the presence of constituents concentrated at the interface.
  • the linear behavior of the waves that is to say having a very low wavelength amplitude ratio, of between 10 -5 and 1, preferably between 10 -4 and 10 -2 , or of the order of 10 -3 , allows to connect the resonant frequency to the rheological properties of the interface by a dispersion relation.
  • the dynamic surface tension is dependent on the value of the concentration of components at the interface.
  • the measurement of the amplitude at the apex 41 of the drop F1 makes it possible to obtain, using the means of analysis, the resonance frequency and thus the rheological and thus physicochemical properties of the liquid of the drop.
  • the light absorption technique (not shown) can also be used, which makes it possible to measure the height of the drop.
  • a light source sends a beam through the drop. This beam is reflected on the electrode 20, passes through the drop in the opposite direction, then is collected by an optical and sent to a detector. The beam can also be transmitted through the droplet and the substrate, the latter then being transparent to the incident wavelength, and then detected.
  • the signal measured by the detector is given by Beer Lambert's law. It is therefore inversely proportional to the height of the liquid.
  • the light source may be a laser or a light emitting diode (LED).
  • the detector may be a photodiode, a camera or any other light sensitive device. This measurement of absorption strongly depends on the presence of biological species. It is advantageous to standardize the height measurements when the drop oscillates by the height of the drop at rest. This makes it possible to perform a more sensitive differential measurement than the absolute measurements.
  • the interferometry technique which makes it possible to measure in real time the amplitude of the waves of the interface at the apex 41 of the drop. It has the advantage of being easy to integrate on a lab-on-a-chip. The measurement accuracy is finer than that of other optical techniques and the measurement is faster to operate since it is a single analog signal to be processed.
  • a part of a laser beam, delivered by the source 61, is led by a network 62, which may be a fiber network, towards the apex 41 of the drop while the other part is directed towards a photodetector 63.
  • a network 62 which may be a fiber network
  • the beam is returned to the photodetector 63 on which it interferes with the first beam.
  • a network of interference fringes appears and when the interface of the drop is set in motion, the fringes move.
  • the photodetector 63 translates this movement of fringes by a variation of intensity whose evolution over time generates a frequency modulated signal.
  • the temporal evolution of the instantaneous frequency makes it possible to translate the displacement of the apex 41 of the drop (treatment of the signal of the time-frequency type or by identification of an interferometric model).
  • the minimum threshold of movement of the apex 41 of the drop may be half a wavelength, or about 300 nm for a HeNe laser emitting in the red. By its ease of implementation, this optical technique allows easy integration in labs on a chip.
  • the light source 61 is preferably coherent.
  • the light source 61 is a laser diode, for reasons of compactness, cost and integration. Liquid height measurements are more accurate at short wavelengths, but lasers are less compact and more expensive. As a result, red and near-infrared wavelengths are preferred.
  • the laser is selected according to the absorption wavelengths of the fluorophores present in or at the interface of the drop.
  • the light source 61 may optionally be thermoregulated in order to deliver the most constant power possible. Its power can also be continuously monitored and adapted to correct the effects of certain parameters that may disturb the measurement (temperature, height of the drop at rest, optical index of the fluid, etc.)
  • the Y couplers mentioned above can be optical fiber couplers or microprisms.
  • the resulting beam is then sent to the photodetector 63.
  • the photodetector 63 allows the measurement of interference and can be any type of light-sensitive device (photodiode, camera, avalanche photodiode (APD) etc.).
  • a filter transmitting only the wavelength of the laser may optionally be placed in front of the photodetector 63 in order to limit the light disturbances external to the device (ambient light).
  • the coupling between the fiber, if there is fiber, and the photodetector 63 can be achieved by gluing, taping, or by an optical device (particularly if it is desired to place a filter in front of the photodetector).
  • the amplitude measuring means 60 are connected to the analysis means 70, for example arranged on a printed circuit (not shown), which make it possible to analyze the measured amplitude in order to extract the resonance frequency, and thus to to deduce the microrheological or physicochemical properties of gout.
  • the measuring and analysis means can be used on a drop which forms a capillary bridge.
  • the measurement is preferably made at a point of the central section of the capillary bridge, zone of the interface of the resonant mode.
  • the geometric characterization means are means for measuring the slope of the waves formed along a line of the interface, for example by refractometry.
  • the known method of refractometry allows a slope measurement along a line of the interface, static or dynamic. It is preferable to apply this method along a line of the long interface, for example a line included in a plane passing through the center and the apex of the drop, or, in the case of a capillary bridge, in a plane passing through the central section of said capillary bridge.
  • the measurement of the slope makes it possible to obtain, using the means of analysis, the rheological and / or physicochemical properties of the liquid of the drop.
  • the geometric characterization means may comprise, at one and the same time, means for measuring the amplitude of the waves formed and means for measuring the slope of the waves formed along a line of the interface, as described above.
  • the device for analyzing a drop of liquid comprises a wave forming device according to any one of the embodiments described above, means for kinematic characterization of the waves formed, and means for analysis, connected to said kinematic characterization means, for analyzing, from the kinematic characterization of the waves formed, the physical and / or chemical properties of said drop F1.
  • the kinematic characterization means may be means for measuring the normal speed of the waves formed, which may be similar to those for measuring the amplitude by interferometry, as described above. Indeed, the publication of Davoust et al. entitled “Detection of waves at the interface of an optical fiber” Progr. Colloid Polym. Sci. (2000), 115, 249-254 shows that these measuring means make it possible to obtain both the amplitude at the desired point and the normal speed.
  • the analysis of the chemical properties of the drop can thus be carried out without marking biological or chemical targets.
  • It may further comprise means for measuring, at the interface of said drop, the concentration of biological or chemical targets labeled with a fluorescent or radioactive compound.
  • These means for measuring the concentration may comprise a detector for measuring radiation, for example photon radiation.
  • the photodetector may be an imager, an avalanche photodiode, a confocal microscope.
  • the device for analyzing a drop of liquid may not comprise means for characterizing the waves formed, but means for measuring, at the interface of said drop, the concentration of marked biological or chemical targets.
  • the formation of the waves then makes it possible to mix the liquid of the drop, or even to achieve an optionally selective concentration of biological or chemical targets in a given zone of the interface, such as the apex of a drop, or the central section. a capillary bridge.
  • the device for analyzing a drop of liquid as described above, said liquid being blood can be advantageously used to estimate the coagulation time.
  • the measurement of a coagulation time is relevant for platelet disorders or haemophiliacs but also and especially for all transplant patients who receive anti-coagulant therapy.
  • Coagulation (secondary hemostasis) is triggered by a polymerization reaction following a complex cascade of coagulation factors.
  • This polymerization consists of a transformation of fibrinogen, a protein contained in the blood plasma, into polymerized fibrin, which creates a clot.
  • the typical time scale of this process is of the order of a few minutes.
  • the polymerization reaction gives rise to several orders of magnitude of dynamic viscosity within the drop.
  • Oscillations on its surface are dependent on the interfacial properties as well as the volume properties of the drop.
  • Continuous measurement by an optical technique for example of the amplitude of these oscillations can thus provide information on a rate of temporal damping particularly close to the coagulation time.
  • the device for analyzing a drop of blood makes it possible to obtain the coagulation time in a particularly rapid and inexpensive manner.
  • Said waves preferably have an amplitude-to-wavelength ratio of between 10 -5 and 1, and advantageously equal to 10 -3 .
  • the invention also relates to a method for analyzing a drop of liquid, comprising the implementation of a wave forming method according to any one of the characteristics described above, a step of geometric characterization of said formed waves, then a step of analyzing the physical and / or chemical properties of said drop, from the geometric characterization of said formed waves.
  • the geometric characterization step may be a measurement of the amplitude of the waves formed, or a measurement of the slope of the waves formed along a line of the interface.
  • the measurement of the amplitude of said waves is carried out in a determined zone of the interface substantially distant from the triple line of the drop, for example at the apex of a hemispherical drop, or in the central section of a capillary bridge.
  • the measurement of the slope can be carried out along a line contained in a plane passing through the apex and the center of a hemispherical drop, or in a plane containing the central section of a capillary bridge.
  • the invention also relates to a method for analyzing a drop of liquid, comprising the implementation of a wave forming method according to one of the preceding characteristics, a step of kinematic characterization of said waves formed, then a step of analyzing the physical and / or chemical properties of said drop, from the kinematic characterization of said formed waves.
  • the kinematic characterization step may be a measure of the normal velocity of the formed waves, as previously described.
  • the method of analyzing a drop of liquid may further comprise a step of measuring, at the interface of said drop, the concentration of marked biological or chemical targets.
  • the invention also relates to a method for analyzing a drop of liquid, comprising the implementation of a wave forming method according to any one of the preceding characteristics, and a measuring step, at the interface of said drop, the concentration of marked biological or chemical targets.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de formation d'ondes à l'interface (I) d'une goutte de liquide (F1) par électromouillage, permettant le micro-mélange et la concentration de constituants à l'interface (I) de la goutte (F1). Le dispositif comprend au moins une électrode d'excitation (20; 30) adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un premier axe de symétrie, sous l'effet d'une commande électrique, et une goutte de liquide (F1) disposée sur ladite électrode d'excitation (20 ; 30) et présentant un axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, de sorte que ledit champ électrique génère des ondes essentiellement axisymétriques à l'interface (I) de ladite goutte (F1).

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention se rapporte au domaine général de l'analyse d'échantillons liquides, en particulier pour la détection de constituants éventuellement présents dans l'échantillon.
  • Elle se rapporte également au domaine de la microfluidique discrète dans la mesure où l'échantillon liquide à analyser peut se présenter sous forme de goutte. Le terme de goutte comprend ici les gouttes sensiblement hémisphériques, les flaques ou encore les ponts capillaires.
  • L'invention concerne notamment un dispositif de formation d'ondes de surface à l'interface d'une goutte de liquide par électromouillage.
  • L'invention proposée trouve de nombreuses applications dans la concentration et la détection de cibles biologiques ou chimiques, la caractérisation rhéologique d'échantillons fluides, voire la transmission de mouvements en microfluidique.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
  • Dans de nombreux domaines, on cherche à détecter des constituants éventuellement présents dans une goutte de liquide.
  • Ce peut être le cas, par exemple, pour établir un diagnostic biologique ou médical, ou encore dans le domaine du génie génétique ou agroalimentaire. On peut chercher à détecter ou doser notamment des macromolécules, des cellules, des analytes, des organites, des pathogènes, des intercalants.
  • C'est également le cas dans le domaine de l'industrie électronucléaire, où il est essentiel de pouvoir détecter les éléments radioactifs présents dans les effluents liquides, en particulier les actinides qui forment avec le plutonium les déchets les plus dangereux.
  • La détection environnementale, plus largement, cherche à déterminer la concentration notamment de pathogènes, de métaux, de particules solides, de colloïdes dans des liquides d'intérêt.
  • Dans la plupart de ces domaines, on cherche à analyser des échantillons liquides de petit volume en un temps réduit de la manière la plus simple et la moins intrusive possible.
  • La microfluidique discrète (ou digitale) permet la manipulation et le déplacement de gouttes de très faible volume. Elle joue un rôle croissant dans le développement de nouveaux micro-systèmes tels que les laboratoires sur puce, et permet de réaliser en chaîne de nombreuses étapes d'analyse.
  • Elle se distingue de la microfluidique continue (en canaux) notamment par la possibilité de s'affranchir de pompes, de vannes, de parois nécessaires au confinement de l'écoulement... Les contaminations physicochimiques pariétales peuvent ainsi être minimisées, voire écartées.
  • A titre illustratif, on peut citer les biopuces qui constituent, dans le domaine de la biologie moléculaire, des systèmes d'analyse de l'hybridation d'acides nucléiques (ADN et/ou ARN), ou de l'interaction de type antigène/anticorps, protéine/ligand, protéine/protéine, enzyme/substrat, etc. On cherche alors à obtenir les paramètres cinétiques ou les constantes d'équilibres associés à ces interactions chimiques.
  • La détection de molécules biologiques peut être effectuée à partir de techniques PCR ou ELISA connues de l'homme du métier. Ces techniques utilisent habituellement le greffage d'une molécule sonde marquée d'un composé fluorescent. Le taux de fluorescence émise est ensuite mesuré par des moyens optiques pour ainsi quantifier le processus d'hybridation.
  • Ces techniques de détection sont généralement précédées d'une préparation de l'échantillon liquide à analyser. La préparation peut consister à réaliser le mélange ou le brassage du liquide de l'échantillon, puis la concentration des molécules biologiques dans une zone déterminée, par exemple à l'interface fluide de l'échantillon liquide.
  • Un exemple de dispositif permettant de réaliser ces opérations de préparation, pour ensuite détecter les molécules biologiques présentes dans une goutte, est décrit dans la demande de brevet WO2008/068229 déposée au nom de la demanderesse.
  • Ce dispositif permet de générer un écoulement circulant, ou vortex, à l'intérieur de la goutte par électrohydrodynamique sans induire de déformation interfaciale ni de déplacement d'ensemble de la goutte. Ce vortex réalise alors un mélange du liquide de la goutte, par brassage ou centrifugation, ce qui permet d'accélérer la cinétique d'hybridation tout en étant compatible avec les contraintes de miniaturisation. Il permet également de concentrer les constituants à l'interface de la goutte sous l'effet d'une force centrifuge, pour une détection plus sensible.
  • Pour générer ce vortex, la goutte est disposée sur une couche de diélectrique recouvrant deux électrodes présentant des bords en forme de zigzag, en regard l'un de l'autre. L'application d'une différence de potentiel entre ces deux électrodes donne naissance à un champ électrique oblique par rapport à l'interface de la goutte, du fait de la forme des bords et de la position de la goutte. La composante tangentielle du champ électrique provoque alors le déplacement des charges électriques accumulées à l'interface, qui induit par viscosité un écoulement du liquide à l'intérieur de la goutte.
  • Ce dispositif permet ainsi de mélanger le liquide de la goutte et de concentrer les constituants à l'interface de la goutte, permettant ainsi de réaliser une purification, une extraction, voire une détection plus précise.
  • Le dispositif selon l'art antérieur présente cependant un certain nombre d'inconvénients.
  • L'intensité du vortex généré dépend de celle du champ électrique. Or, celle-ci diminue fortement à mesure que l'on s'éloigne des électrodes. Aussi, le vortex est sensiblement localisé à proximité des électrodes. Le mélange réalisé dans la goutte n'est alors pas homogène, et les constituants sont davantage concentrés à proximité des électrodes et de la ligne triple.
  • Or, il peut être recherché d'obtenir une concentration significative à distance de la ligne de contact et du plan des électrodes, par exemple à l'apex de la goutte, pour ainsi éviter les perturbations dues aux conditions aux limites (ligne triple) et aux parois, et permettre une détection ultérieure plus facile, ce que le dispositif selon l'art antérieur ne permet pas.
  • Par ailleurs, le vortex ne permet pas de donner par lui-même les informations recherchées sur les constituants éventuellement présents dans la goutte, comme leur concentration ou les paramètres cinétiques d'interactions chimiques ou biologiques, si ce n'est en mettant en oeuvre des techniques lourdes de visualisation du champ de vitesse, comme la micro-PIV (Vélocimétrie par Image de Particules). Il est alors nécessaire d'utiliser des techniques de détection (PCR, ELISA...) qui font appel au marquage de molécules sondes, et qui entraînent un coût et un temps de traitement élevés.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • Le but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant d'assurer le mélange du liquide d'une goutte et une concentration significative de constituants éventuellement présents à l'interface dans une zone de l'interface sensiblement éloignée de la ligne triple de la goutte.
  • Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un dispositif de formation d'ondes à l'interface d'une goutte de liquide par électromouillage.
  • Selon l'invention, ledit dispositif comprend au moins une électrode d'excitation adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un premier axe de symétrie, sous l'effet d'une commande électrique, de sorte qu'en présence d'une goutte de liquide disposée sur ladite électrode d'excitation et présentant un axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, ledit champ électrique génère des ondes à l'interface de ladite goutte, lesdites ondes générées étant essentiellement axisymétriques.
  • Par ondes essentiellement axisymétriques, on entend des ondes principalement voire exclusivement axisymétriques.
  • Ainsi, ces ondes axisymétriques générées par électromouillage au niveau de la ligne triple se propagent uniformément sur toute l'interface de la goutte et entraînent un micro-mélange sensiblement homogène du liquide de la goutte.
  • Le caractère axisymétrique des ondes permet d'obtenir un mode résonant dans une zone déterminée éloignée de la ligne triple et de l'électrode d'excitation. On peut alors obtenir une concentration potentiellement significative dans cette zone de constituants éventuellement présents à l'interface, notamment de constituants de taille plus importante. A titre illustratif, dans le cas d'une goutte semi-sphérique, le mode résonant est obtenu sensiblement à l'apex (sommet) de la goutte.
  • De plus, la concentration de constituants à l'interface peut être sensiblement homogène ou augmenter à mesure que l'on s'éloigne du plan de mouillage contenant la ligne triple de la goutte, selon que ces ondes axisymétriques sont sensiblement stationnaires ou progressives.
  • Avantageusement, lesdites ondes formées présentent un comportement sensiblement linéaire.
  • De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 1.
  • De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 10-1.
  • De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-4 et 10-2.
  • De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde de l'ordre de 10-3.
  • De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur rayon de la goutte inférieur ou égal à 10-1, de préférence inférieur ou égal à 10-2, de préférence de l'ordre de 10-3.
  • Par rayon de la goutte, on entend le rayon d'une demi-sphère modélisant la goutte disposée sur ladite électrode d'excitation en l'absence d'ondes à l'interface, ou le rayon, dit rayon équivalent, d'une sphère présentant un volume égal à celui de ladite goutte.
  • Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une unique électrode d'excitation présentant sensiblement une forme de disque.
  • Selon une variante, le dispositif comprend une unique électrode d'excitation sensiblement annulaire.
  • Selon un second mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une première électrode d'excitation sensiblement annulaire et une seconde électrode d'excitation formant contre-électrode présentant sensiblement une forme de disque entouré par ladite première électrode d'excitation.
  • Selon une variante, le dispositif comprend une première électrode d'excitation et une seconde électrode d'excitation formant contre-électrode, présentant chacune sensiblement une forme demi-annulaire arrangées en regard l'une de l'autre.
  • Selon une variante, le dispositif comprend une première électrode d'excitation et une seconde électrode d'excitation formant contre-électrode, présentant chacune sensiblement une forme de demi-disque arrangées en regard l'une de l'autre.
  • La ou les électrodes d'excitation peuvent comporter un bord intérieur définissant une bordure intérieure sensiblement circulaire, la ligne triple de ladite goutte étant, de préférence, sensiblement en regard de ladite bordure intérieure.
  • La ou les électrodes d'excitation peuvent également comporter un bord extérieur définissant une bordure extérieure sensiblement circulaire, la ligne triple de ladite goutte étant, de préférence, sensiblement en regard de ladite bordure extérieure.
  • Dans le premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif peut comporter un générateur de tension pour appliquer un potentiel électrique à ladite électrode d'excitation différent de celui de ladite goutte.
  • Dans le second mode de réalisation de l'invention, le dispositif peut comporter un générateur de tension pour appliquer une différence de potentiel entre la première électrode d'excitation et la contre-électrode.
  • De préférence, ledit champ électrique induit une différence de potentiel d'électromouillage entre l'électrode d'excitation et ladite goutte présentant une fréquence comprise entre 10Hz et 150Hz.
  • Ladite différence de potentiel d'électromouillage peut présenter une amplitude comprise entre 1V et 100V.
  • De préférence, ladite différence de potentiel d'électromouillage présente une amplitude comprise entre 1V et 50V.
  • Avantageusement, la ou les électrodes d'excitation sont recouvertes d'une couche d'un matériau diélectrique.
  • Avantageusement, ladite couche diélectrique est recouverte d'une couche d'un matériau hydrophobe.
  • Avantageusement, ladite couche diélectrique est hydrophobe.
  • Le dispositif peut comporter des moyens de piégeage de la ligne triple de ladite goutte.
  • Le dispositif de formation d'ondes peut comporter, en outre, au moins une électrode d'excitation secondaire, située en face, parallèlement à ladite électrode d'excitation, adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un troisième axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, sous l'effet de ladite commande électrique.
  • Dans ce cas, ladite goutte peut être un pont capillaire formé entre ladite électrode d'excitation et ladite électrode d'excitation secondaire.
  • L'invention porte également sur un dispositif d'analyse d'une goutte de liquide comprenant :
    • un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment,
    • des moyens de caractérisation géométrique des ondes formées, et
    • des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation géométrique, pour analyser, à partir de la caractérisation géométrique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte.
  • Selon une variante, les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées.
  • Les moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées peuvent être des moyens de mesure par absorption lumineuse et/ou par interférométrie.
  • Selon une autre variante, les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface.
  • Les moyens de mesure de la pente des ondes formées peuvent être des moyens de mesure par réfractométrie.
  • Les moyens de caractérisation géométrique peuvent être, à la fois des moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées et des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface.
  • Selon un autre mode de réalisation, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide comprend :
    • un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment,
    • des moyens de caractérisation cinématique des ondes formées, et
    • des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation cinématique, pour analyser, à partir de la caractérisation cinématique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte.
  • Les moyens de caractérisation cinématique peuvent être des moyens de mesure de la vitesse normale des ondes formées.
  • Dans le cas de l'analyse rhéologique de la goutte de liquide, la caractérisation des ondes géométrique ou cinématique permet de déterminer les propriétés physicochimiques du liquide, notamment ses propriétés interfaciales. Dans le cas de la détection des constituants présents, l'amplitude ou la pente des ondes renseigne sur les constituants présents, et permet d'obtenir les paramètres cinétiques ou les constantes d'équilibres associés à d'éventuelles interactions chimiques.
  • Ainsi, à la différence de l'art antérieur, on peut s'affranchir de tout greffage de sonde optique ou fluorescente qui peut perturber les interactions chimiques ou les propriétés physicochimiques du liquide.
  • De plus, les techniques de détection sont plus simples à mettre en oeuvre que dans l'art antérieur, tout en garantissant une précision élevée. On peut utiliser des techniques optiques (réfractométrie, absorption lumineuse, interférométrie, ellipsométrie) pour réaliser la caractérisation géométrique ou cinématique des ondes. De plus, le caractère axisymétrique des ondes permet d'obtenir un phénomène de résonance dans une zone de l'interface éloignée de la ligne triple. Les moyens d'analyse, à partir de la caractérisation géométrique ou cinématique des ondes, de préférence dans cette zone, permettent de calculer les propriétés mécaniques ou physicochimiques du liquide, en particulier les propriétés interfaciales.
  • On peut ainsi réaliser un diagnostic en temps réel, rapide par le fait que les étapes de mélange, de concentration et d'analyse peuvent être réalisées simultanément.
  • La technique d'analyse est non intrusive, donc il n'y a pas de risque de dénaturation physicochimique de l'échantillon liquide, ni de perturbation de l'éventuelle organisation moléculaire à l'interface.
  • Ainsi, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide peut réaliser l'analyse des propriétés chimiques de la goutte sans marquage de cibles biologiques ou chimiques contenues dans la goutte.
  • Cependant, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide peut comprendre, en outre, des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées. Ainsi, l'analyse présente une précision accrue, du fait de l'utilisation de plusieurs méthodes d'analyse chimique.
  • Selon un autre mode de réalisation, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide comprend un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment, et des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.
  • Lesdites cibles peuvent être marquées d'un composé fluorescent ou radioactif.
  • L'invention porte également sur un procédé de formation d'ondes à l'interface d'une goutte de liquide par électromouillage, comprenant les étapes suivantes :
    • disposer une goutte de liquide sur au moins une électrode d'excitation présentant un premier axe de symétrie, de sorte que l'axe de symétrie de ladite goutte coïncide sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, et
    • générer un champ électrique oscillant et radial autour dudit premier axe de symétrie, de manière à former des ondes essentiellement axisymétriques à l'interface de ladite goutte.
  • Lesdites ondes peuvent présenter un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 1, de préférence entre 10-5 et 10-1, de préférence entre 10-4 et 10-2, de préférence de l'ordre de 10-3.
  • Lesdites ondes peuvent également présenter un rapport amplitude sur rayon de la goutte inférieur ou égal à 10-1, de préférence inférieur ou égal à 10-2, de préférence de l'ordre de 10-3.
  • L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment, une étape de caractérisation géométrique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation géométrique desdites ondes formées.
  • L'étape de caractérisation géométrique peut être une mesure de l'amplitude des ondes formées.
  • De préférence, la mesure de l'amplitude desdites ondes est réalisée dans une zone déterminée de l'interface sensiblement éloignée de la ligne triple de la goutte.
  • Alternativement, l'étape de caractérisation géométrique est une mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface.
  • L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, une étape de caractérisation cinématique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation cinématique desdites ondes formées.
  • L'étape de caractérisation cinématique peut être une mesure de la vitesse normale des ondes formées.
  • L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide selon l'une quelconque des caractéristiques précédemment décrites, comprenant, en outre, une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.
  • L'invention porte sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, et une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.
  • L'invention porte enfin sur l'utilisation d'un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, ou d'un dispositif d'analyse selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, ladite goutte de liquide étant une goutte de sang.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
    • Les figures 1A et 1B sont des représentations schématiques en coupe longitudinale d'un dispositif illustrant le principe d'excitation d'une goutte de liquide par électromouillage ;
    • La figure 2 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de formation d'ondes selon un premier mode de réalisation de l'invention comportant une unique électrode d'excitation ;
    • Les figures 3A et 3B montrent en vue de dessus différentes formes de l'électrode d'excitation selon le premier mode de réalisation ;
    • La figure 4 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de formation d'ondes selon un second mode de réalisation de l'invention comportant une électrode d'excitation et une contre-électrode planaire ;
    • Les figures 5A à 5C montrent en vue de dessus différentes formes d'électrode d'excitation et de contre-électrode planaire ;
    • Le figure 6 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de formation d'ondes selon un troisième mode de réalisation préféré de l'invention comprenant un pont capillaire ; et
    • La figure 7 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif d'analyse d'une goutte liquide, dans le cas de la mesure de l'amplitude des ondes formées.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PREFERE
  • Un dispositif selon l'invention met en oeuvre un dispositif d'excitation d'une goutte de liquide par électromouillage, ou plus précisément, par électromouillage sur diélectrique.
  • Le principe de l'électromouillage sur diélectrique mis en oeuvre dans le cadre de l'invention peut être illustré à l'aide des figures 1A et 1B, dans le cadre d'un dispositif de type ouvert.
  • Une goutte d'un liquide électriquement conducteur F1 repose sur une électrode d'excitation 20, dont elle est isolée par une couche diélectrique 12 et une couche hydrophobe 13. On a donc un empilement hydrophobe et isolant.
  • Le caractère hydrophobe de cette couche 13 signifie que la goutte F1 a un angle de contact, sur cette couche, supérieur à 90°.
  • Elle est entourée d'un fluide diélectrique F2, et forme avec ce fluide une interface I.
  • L'électrode d'excitation 20 est formée en surface d'un substrat 11, ou intégré à celui-ci.
  • Une contre-électrode 30, ici sous forme d'un fil caténaire, permet de maintenir un contact électrique avec la goutte F1. Cette contre-électrode 30 peut également être un fil enterré ou une électrode planaire dans le capot d'un système confiné. Cependant, elle peut également ne pas être présente.
  • L'électrode d'excitation 20 et la contre-électrode 30 sont connectées à une source de tension 50 permettant d'appliquer une tension d'électromouillage U entre les électrodes.
  • Lorsque l'électrode d'excitation 20 est activée, c'est-à-dire lorsqu'il y a contact électrique entre cette électrode 20 et la source de tension 50 via un fil conducteur, l'ensemble goutte F1, couche diélectrique 12 et électrode activée 20 agit comme une capacité.
  • Comme le décrit l'article de Berge intitulé « Electrocapillarité et mouillage de films isolants par l'eau », C.R. Acad. Sci., 317, série 2, 1993, 157-163, l'angle de contact de l'interface de la goutte F1 diminue alors suivant la relation : cosθ U = cosθ 0 + 1 2 ⁢ ε r e ⁢ σ ⁢ U 2
    Figure imgb0001
    où e est l'épaisseur de la couche diélectrique 12, εr la permittivité de cette couche et σ la tension de surface de l'interface de la goutte.
  • Lorsque la tension d'électromouillage est alternative, le liquide se comporte comme un conducteur dans la mesure où la fréquence de la tension de polarisation est sensiblement inférieure à une fréquence de coupure. Celle-ci dépend notamment de la conductivité électrique du liquide, et est typiquement de l'ordre de quelques dizaines de kilohertz (Voir par exemple l'article de Mugele et Baret intitulé « Electrowetting: from basics to applications », J. Phys. Condens. Matter, 17 (2005), R705-R774). D'autre part, la fréquence peut être sensiblement supérieure à la fréquence de réponse hydrodynamique du liquide F1, qui dépend des paramètres physiques de la goutte comme la tension de surface, la viscosité ou la taille de la goutte, et qui est de l'ordre de quelques centaines de hertz. La réponse de la goutte F1 dépend alors de la valeur efficace de la tension, puisque l'angle de contact dépend de la tension en U 2.
  • Selon l'article de Bavière et al. intitulé « Dynamics of droplet transport induced by electrowetting actuation », Microfluid Nanofluid, 4, 2008, 287-294, il apparaît une pression électrostatique agissant sur l'interface I, à proximité de la ligne de contact. L'interface se déforme de manière à respecter l'angle de contact imposé par électromouillage (figure 1B).
  • Il est à noter que, de manière connue de l'homme du métier, l'application de cette pression électrostatique de manière asymétrique, à l'aide d'un réseau d'électrodes d'excitation, entraîne le déplacement de la goutte F1. La goutte peut ainsi être éventuellement déplacée de proche en proche sur la surface hydrophobe, par activation successive des électrodes d'excitation. Il est donc possible de déplacer des liquides et de réaliser des protocoles complexes.
  • Un dispositif de formation d'ondes à l'interface fluide d'une goutte de liquide selon le premier mode de réalisation préféré de l'invention est représenté schématiquement sur la figure 2, en coupe longitudinale.
  • Le dispositif comprend une électrode d'excitation 20 formant un plan et intégré dans un premier substrat 11.
  • Selon le premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une unique électrode d'excitation 20 sous forme sensiblement de disque (figure 3A). Une forme sensiblement annulaire est également possible, comme décrit plus loin en référence à la figure 3B.
  • On appelle plan médian de l'électrode le plan contenant l'électrode d'excitation sensiblement parallèle au plan (i,j) du repère orthonormé direct (i, j, k).
  • De préférence, l'électrode d'excitation 20 est recouverte d'une couche d'un matériau diélectrique 12. Avantageusement, ladite couche diélectrique 12 est recouverte d'une couche d'un matériau hydrophobe 13 (non représentée).
  • Le dispositif de formation d'ondes comprend une goutte de liquide F1 en contact avec la couche hydrophobe de manière à recouvrir au moins partiellement l'électrode d'excitation 20.
  • Comme il a été précisé précédemment, le terme de goutte peut désigner une goutte sensiblement semi-sphérique, une flaque, voire un pont capillaire. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, la goutte F1 est sensiblement semi-sphérique, plus précisément hémisphérique.
  • Dans la description qui va suivre, les verbes « recouvrir », « être disposé sur » n'impliquent pas ici nécessairement de contact direct avec l'électrode d'excitation. Comme il sera décrit plus loin, la goutte peut recouvrir, ou être disposée sur l'électrode d'excitation 20, sans être en contact direct avec celle-ci, par exemple lorsqu'une couche hydrophobe 13 et/ou une couche diélectrique 12 recouvre ladite électrode 20.
  • On appelle interface I de la goutte l'interface fluide formée entre le liquide de la goutte F1 et un fluide environnant F2.
  • La ligne de la goutte en contact avec la couche hydrophobe et appartenant à l'interface de la goutte est appelée ligne triple. La ligne triple est de préférence sensiblement circulaire.
  • L'interface forme un angle de contact avec le plan de la ligne triple, cet angle étant par convention mesuré dans le liquide de la goutte. Lorsque la goutte est en contact avec la couche hydrophobe, et en l'absence de toute sollicitation électrostatique, l'angle de contact est sensiblement supérieur à 90°.
  • La goutte peut contenir des constituants dans le volume et à l'interface. On désigne par le terme générique de constituants toutes les espèces pouvant être présentes dans la goutte (macromolécules : ADN, ARN, protéines, cellules, organites, actinides, colloïdes ou particules solides etc.). On peut parler également de cibles biologiques ou chimiques.
  • Selon l'invention, l'électrode d'excitation 20 présente un premier axe de symétrie et la goutte F1 présente un second axe de symétrie qui coïncide sensiblement avec le premier axe. Les premier et second axes de symétrie sont de préférence sensiblement perpendiculaires au plan médian.
  • Dans l'exemple de la figure 2, et en référence à la figure 3A, l'électrode d'excitation 20 comporte un bord 22 formant bordure extérieure. La bordure extérieure est sensiblement circulaire, du fait de l'axe de symétrie de l'électrode.
  • Comme le montre la figure 3A qui est une vue de dessus de l'électrode d'excitation, la goutte est de préférence disposée de manière à recouvrir au moins partiellement l'électrode d'excitation 20. La ligne triple est, de préférence, située sensiblement en regard de la bordure extérieure.
  • L'électrode d'excitation 20 est adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour du premier axe de symétrie. Pour cela, elle peut être connectée à un générateur de tension 50 qui applique un potentiel à l'électrode 20 sensiblement différent de celui de la goutte F1. Une différence de potentiel dite d'électromouillage est alors générée entre l'électrode d'excitation 20 et la goutte F1.
  • La tension d'électromouillage générée par le générateur de tension 50 peut comprendre une première composante V continue ou à haute fréquence, et une modulation de tension dite d'excitation v.
  • La modulation d'excitation est notée v(ω) et présente une fréquence ω sensiblement inférieure à la fréquence de réponse hydrodynamique de la goutte. La fréquence ω peut être comprise entre 10Hz et 500Hz, et de préférence entre 10Hz et 150Hz. L'amplitude A v peut être comprise entre 1V et 100V, et de préférence entre 1V et 50V.
  • La modulation basse fréquence v(ω) permet de moduler de manière harmonique l'angle de contact. Du fait que la fréquence est inférieure à la fréquence de réponse hydrodynamique, la variation de l'angle de contact suit sensiblement l'amplitude et la fréquence de la modulation v. On peut parler alors d'électromouillage oscillatoire.
  • La première composante est notée V et peut être continue, comprise entre 1V et quelques centaines de volts, par exemple 200V. De préférence, elle est de l'ordre de quelques dizaines de volt. Elle peut également être une tension alternative haute fréquence V(Ω) de fréquence Ω, sensiblement supérieure à la fréquence de réponse hydrodynamique, par exemple comprise entre 500Hz et 10kHz, de préférence de l'ordre de 1kHz. Cette composante est alors vue par la goutte comme une tension continue de valeur égale à la valeur efficace de la tension V, puisque l'angle de contact dépend de la tension en V2 , selon la relation donnée précédemment. La valeur efficace peut varier entre 1V et quelques centaines de volt, par exemple 200V. De préférence, elle est de l'ordre de quelques dizaines de volt.
  • Cette composante V permet d'imposer un angle de contact déterminé à l'interface de la goutte et donc de régler la forme générale de celle-ci.
  • Selon un autre mode de réalisation, le générateur de tension 50 peut également générer une tension d'électromouillage basse fréquence, qui ne comprend pas de composante V continue ou haute fréquence. Dans ce cas, l'amplitude et la fréquence correspondent aux valeurs décrites pour la modulation d'excitation v.
  • L'électrode d'excitation 20 peut être réalisée par dépôt d'une fine couche d'un métal choisi parmi Au, Al, ITO, Pt, Cu, Cr... ou d'un alliage Al-Si... grâce aux microtechnologies classiques de la microélectronique, par exemple par photolithographie. L'électrode 20 est ensuite gravée suivant un motif approprié, par exemple par gravure humide.
  • L'épaisseur de l'électrode 20 peut être comprise entre 10nm et 1µm, de préférence 300nm. Sa taille dépend de la taille de la goutte F1 à exciter. Elle sera préférentiellement commensurable avec la taille de la goutte.
  • Une couche diélectrique 12 peut recouvrir l'électrode d'excitation 20. Elle peut être réalisée en Si3N4, SiO2, en SiN, en baryum strontium titanate (EST) ou d'autres matériaux à permittivité élevée tels que du HFO2, Al2O3, Ta2O5 [29], Ta2O5-TiO2, SrTiO3 ou Ba1-xSrxTiO3. L'épaisseur de cette couche 12 peut être comprise entre 100nm et 3µm, de manière générale comprise entre 100nm et 1µm, de préférence de 300nm. La couche diélectrique 12 en SiO2 peut être obtenue par oxydation thermique. Un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) est préféré au procédé de dépôt en phase vapeur à basse pression (LPCVD) pour des raisons thermiques. En effet, la température du substrat n'est portée qu'entre 150°C et 350°C (selon les propriétés recherchées) contre 750°C environ pour le dépôt LPCVD.
  • Enfin, une couche hydrophobe 13 peut être déposée sur la couche diélectrique 12. Pour cela, un dépôt de Téflon par trempage, par centrifugation (spin coating), ou par spray, ou de SiOC déposé par plasma peut être réalisé. Un dépôt de silane hydrophobe en phase vapeur ou liquide peut être réalisé. Son épaisseur est comprise entre 100nm et 5µm, de préférence de 1µm. Cette couche 13 permet notamment de diminuer voire d'éviter les effets d'hystérésis de l'angle de mouillage.
  • Le liquide de la goutte F1 est électriquement conducteur et peut être une solution aqueuse chargée en ions, par exemple en Cl-, K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Mn2+, autres. Le liquide peut également être du mercure, du Gallium, du Gallium eutectique, ou des liquides ioniques du type bmim PF6, bmim BF4 ou tmba NTf2.
  • Le rayon de la goutte F1 peut par exemple être compris entre 10 microns et le centimètre, et être de préférence de 1mm.
  • Le fluide environnant F2 est, de préférence, isolant et peut être de l'air, une huile minérale ou silicone, un solvant perfluoré, comme du FC-40 ou du FC-70, ou encore un alcane.
  • Le fluide environnant F2 est non miscible avec le liquide conducteur F1 de la goutte.
  • Le fonctionnement du dispositif selon le premier mode de réalisation de l'invention est le suivant.
  • Le générateur de tension 50 applique un potentiel à l'électrode d'excitation 20 sensiblement différent de celui de la goutte F1. Une tension d'électromouillage U est alors générée entre l'électrode d'excitation 20 et la goutte F1. Du fait de la symétrie commune de l'électrode d'excitation 20 et de la goutte F1, le champ électrique associé est sensiblement normal à la ligne triple, dans le plan de celle-ci.
  • Le champ électrique ne présente donc sensiblement pas de composante tangentielle, ce qui permet d'éviter tout phénomène électrohydrodynamique ou électrocinétique de formation de vortex, comme, par exemple, dans le dispositif selon l'art antérieur par exemple.
  • La modulation de tension v induit une variation de l'angle de contact sensiblement isotrope le long de la ligne triple. La goutte F1 ne subit sensiblement pas de déplacement, en particulier dans le plan de mouillage. Le champ électrique est ainsi oscillant et radial autour de l'axe de symétrie de la goutte F1 et de l'électrode d'excitation 20.
  • Le champ électrique provoque alors une variation de l'angle de contact et éventuellement un déplacement oscillant et radial de la ligne triple autour d'une position d'équilibre.
  • La variation harmonique de l'angle de contact génère alors un réseau d'ondes axisymétriques à l'interface I de la goutte F1, à partir de la ligne triple.
  • Les ondes se propagent uniformément à l'interface, réalisant ainsi un micro-mélange du liquide de la goutte F1 sensiblement homogène.
  • Par le caractère axisymétrique des ondes, un mode résonant est obtenu à l'apex 41 de la goutte, c'est-à-dire dans la zone sensiblement la plus éloignée de la goutte. L'amplitude est alors maximale à l'apex 41 et présente une fréquence définie.
  • De préférence, les ondes présentent une amplitude comprise de préférence entre 10nm et 100µm, de préférence de 1µm.
  • La longueur d'onde peut être telle que le rapport amplitude sur longueur d'onde est compris entre 10-5 et 1, de préférence entre 10-4 et 10-2, de préférence de l'ordre de 10-3.
  • Dans le cas où la goutte contient des constituants cibles à l'état solubilisé, l'interface I de la goutte F1 peut être fonctionnalisée afin de capturer sélectivement ces constituants. Le dispositif selon l'invention permet alors de concentrer les constituants à partir du volume de la goutte au niveau de son interface.
  • La concentration est significative à l'apex 41 de la goutte F1, et ainsi écarte les perturbations dues aux conditions aux limites (ligne triple, paroi de la couche hydrophobe).
  • La composante progressive du réseau d'ondes peut permettre une concentration sélective des constituants adsorbés à l'interface I de la goutte F1. Elle peut transporter les constituants vers l'apex 41 de la goutte, de manière différentielle selon l'étendue de leur section moléculaire. Ici encore, la concentration à l'apex 41 est rendue significative.
  • Les constituants non transportés par les ondes sont susceptibles de rester au voisinage de la ligne triple. On dispose dans ce cas d'un dispositif de séparation, ou de purification, de ces constituants. Une extraction spécifique par éjection de gouttelettes sous champ électrique ou par formation puis brisure d'un pont capillaire peut permettre de former deux ou plusieurs gouttes contenant les constituants séparés.
  • Une variante du premier mode de réalisation de l'invention concerne la forme de l'électrode d'excitation 20.
  • Ainsi, comme le montre la figure 3B, l'électrode d'excitation 20 peut présenter une forme annulaire dont l'axe de symétrie coïncide sensiblement avec celui de la goutte F1.
  • Dans ce cas, la ligne triple peut être située, en l'absence de sollicitation électrostatique, sensiblement en regard de la bordure intérieure, ou de la bordure extérieure, ou entre les deux bordures.
  • Le fait que la ligne triple soit, hors sollicitation électrostatique, sensiblement en regard de la bordure intérieure permet de contrôler facilement l'étalement de la goutte sous l'effet de la tension d'électromouillage.
  • Par ailleurs, le fait que la ligne triple soit, hors sollicitation électrostatique, sensiblement en regard de la bordure extérieure permet d'utiliser celle-ci comme une ligne de piégeage de la ligne triple.
  • Un second mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 4, dans lequel le dispositif comprend une première électrode d'excitation 20, et une seconde électrode d'excitation 30 formant contre-électrode.
  • De préférence, la contre-électrode 30 est planaire, intégrée audit substrat 11, et comprise dans le plan médian de la première électrode d'excitation 20.
  • La figure 4 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif comprenant une électrode d'excitation 20 annulaire entourant la contre-électrode 30 en forme de disque. Les deux électrodes 20, 30 présentent un axe de symétrie coïncidant sensiblement avec celui de la goutte.
  • La figure 5A est une vue de dessus desdites électrodes. L'espacement entre les électrodes peut être compris entre 1µm et 10µm.
  • Pour générer un champ électrique oscillant et radial autour du premier axe de symétrie, un générateur de tension 50 peut appliquer une différence de potentiel aux électrodes 20, 30. Cette différence de potentiel permet de générer une différence de potentiel, dite d'électromouillage, entre les électrodes 20, 30 et la goutte F1.
  • La tension d'électromouillage présente les mêmes caractéristiques que dans le premier mode de réalisation et ne sont donc pas décrites à nouveau ici. Les ondes formées à l'interface sont également identiques à ce qui a été décrit précédemment.
  • La ligne triple de la goutte est, hors sollicitation électrostatique, de préférence située sensiblement en regard de la bordure extérieure de la contre-électrode 30, de la bordure intérieure ou extérieure de l'électrode d'excitation 20.
  • Si l'électrode annulaire 20 présente une bordure extérieure 22 suffisamment éloignée de la goutte, la géométrie de cette bordure 22 peut être quelconque, par exemple polygonale, dès lors que le champ électrique au niveau de la ligne triple demeure radial.
  • Les figures 5B et 5C sont des vues de dessus de la première électrode d'excitation 20 et de la seconde électrode d'excitation 30 formant contre-électrode.
  • La figure 5B illustre des électrodes demi-annulaires 20, 30 et la figure 5C des électrodes 20, 30 sous forme de demi-disque. Chaque électrode est disposée en regard l'une de l'autre, de sorte que l'activation électrique des électrodes 20, 30 par le générateur de tension 50 permet de générer un champ électrique radial autour du premier axe de symétrie. L'espacement minimal entre les électrodes peut être compris entre 1µm et 10µm.
  • Le fonctionnement et la réalisation du dispositif selon le second mode de réalisation sont identiques à ce qui a été décrit précédemment.
  • L'avantage de l'utilisation d'une seconde électrode d'excitation 30 formant contre-électrode est de fixer le potentiel de la goutte à une valeur sensiblement équidistante des potentiels des deux électrodes 20, 30. La tension d'électromouillage est ainsi mieux définie que dans le premier mode de réalisation dans lequel la goutte F1 présente un potentiel flottant.
  • Il est à noter que la couche diélectrique 12 n'est pas indispensable au phénomène d'électromouillage. En effet, en l'absence de couche diélectrique 12, la goutte F1 est alors en contact électrique avec l'électrode d'excitation 20. Lors de l'activation de l'électrode 20, une double couche électrique se forme dans la goutte à la surface de l'électrode 20 et forme une couche diélectrique dont l'épaisseur est de l'ordre de grandeur de la distance de Debye (quelques dizaines de nanomètres). La tension d'électromouillage appliquée reste avantageusement faible afin d'éviter des phénomènes électrochimiques tels que l'électrolyse de l'eau.
  • Par ailleurs, il est avantageux d'augmenter l'hydrophobicité de la couche solide sur laquelle repose la goutte, pour favoriser le glissement de la ligne triple et limiter la dissipation visqueuse. Pour cela, des thiols peuvent être greffés sur la couche solide en question.
  • Il peut être avantageux, au contraire, de piéger la ligne triple pour limiter son déplacement et la dissipation visqueuse associée. Pour cela, la ligne triple peut être piégée par une rugosité en forme d'anneau gravée dans le substrat solide. Dans ce cas, les ondes ne sont pas formées par le déplacement oscillant et radial de la ligne triple mais par la variation harmonique de l'angle de contact.
  • Il est également à noter que le dispositif selon l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter de contre-électrode disposée en contact électrique direct avec la goutte, par exemple sous forme de fil suspendu. Ainsi, le champ électrique reste normal à la ligne triple. Les ondes formées sont donc axisymétriques, écartant ainsi toute perturbation de l'axe de symétrie due à la présence de la contre-électrode. Cela permet également une plus grande facilité de réalisation et d'intégration dans les laboratoires sur puce existants. De plus, une contre-électrode en contact direct avec la goutte, par exemple sous forme de fil suspendu, peut perturber la concentration des constituants à l'interface.
  • La figure 6 est une représentation schématique en coupe longitudinale du dispositif selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
  • Le dispositif ne comprend plus un seul substrat 11 plan, mais également un second substrat 11-1, disposé en face du premier 11 et sensiblement parallèle à celui-ci.
  • Le second substrat 11-1 comporte également au moins une électrode d'excitation 20-1, 30-1, en vis-à-vis de celle 20, 30 du premier substrat. Une couche hydrophobe et une couche diélectrique 12-1 peuvent également être prévues.
  • Une goutte F1 peut être prise en sandwich entre les deux substrats de manière à former un pont capillaire. Les électrodes d'excitation inférieures 20, 30 et supérieures 20-1, 30-1 sont connectées au générateur de tension 50, ou comme représenté sur la figure 6, à un second générateur de tension 50-1 synchrone avec le premier 50.
  • Ainsi, l'activation des électrodes permet de générer des ondes selon les mêmes caractéristiques que précédemment. Le mode résonant est ici formé au niveau de la section centrale 42 du pont capillaire.
  • Les constituants peuvent ainsi être transportés vers la section centrale 42 du pont liquide, de manière différentielle selon l'étendue de leur section moléculaire. Le dispositif permet de réaliser alors la concentration des constituants de l'interface à la ligne d'interface de la section centrale 42 du pont capillaire.
  • Les constituants non transportés par les ondes sont susceptibles de rester au voisinage des lignes triples inférieure et supérieure. On dispose dans ce cas d'un dispositif de séparation, ou de purification, de ces constituants. Une extraction spécifique par brisure du pont capillaire peut être pratiquée par éloignement vertical relatif des premier et second substrats l'un de l'autre, ou par amplification de la tension d'électromouillage.
  • Le dispositif selon le troisième mode de réalisation présente un fonctionnement et une réalisation sensiblement similaires à ce qui a été décrit dans les premier et second modes de réalisation.
  • L'invention concerne également un dispositif d'analyse comportant un dispositif de formation d'ondes à l'interface d'une goutte selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits précédemment.
  • L'analyse de la goutte peut être effectuée dans un but d'analyse rhéologique, pour mesurer la tension de surface, la viscosité dynamique, la viscosité et l'élasticité interfaciales etc. Elle peut également permettre de détecter en temps réel le vieillissement interfacial et ainsi la concentration en constituants cibles.
  • Le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide, selon un premier mode de réalisation, comprend un dispositif de formation d'ondes tel que décrit précédemment, des moyens de caractérisation géométrique des ondes formées, et des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation géométrique, pour analyser, à partir de la caractérisation géométrique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte F1.
  • Selon une première variante, les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées, par exemple, par absorption lumineuse et/ou par interférométrie.
  • La mesure de l'amplitude est de préférence locale, dans la zone interfaciale du mode résonant, c'est-à-dire au niveau de l'apex 41 pour une goutte semi-sphérique, et au niveau de la section centrale 42 d'un pont capillaire.
  • La figure 7 donne un exemple de dispositif d'analyse avec mesure de l'amplitude, ici à l'apex d'une goutte semi-sphérique.
  • La mesure de l'amplitude est de préférence localisée dans la zone du mode résonant 41. En effet, le caractère résonant des ondes est particulièrement sensible à la présence de constituants concentrés à l'interface. Ainsi, à mesure que l'interface s'enrichit en constituants, on peut observer un glissement de la fréquence de résonance. Ce comportement peut être mesuré en temps réel pendant le processus de vieillissement interfacial, ou bien par comparaison entre un état chimique stationnaire initial de l'interface et un état stationnaire final, après concentration à l'interface.
  • Le comportement linéaire des ondes, c'est-à-dire présentant un rapport amplitude sur longueur d'onde très faible, compris entre 10-5 et 1, de préférence entre 10-4 et 10-2, ou de l'ordre de 10-3, permet de relier la fréquence de résonance aux propriétés rhéologiques de l'interface par une relation de dispersion. De plus, la tension de surface dynamique est dépendante de la valeur de la concentration de constituants à l'interface.
  • Aussi, la mesure de l'amplitude à l'apex 41 de la goutte F1 permet d'obtenir, à l'aide des moyens d'analyse, la fréquence de résonance et ainsi les propriétés rhéologiques et ainsi physicochimiques du liquide de la goutte.
  • La technique d'absorption lumineuse (non représentée) peut également être utilisée, qui permet de mesurer la hauteur de la goutte. Dans ce mode de détection, une source de lumière envoie un faisceau qui traverse la goutte. Ce faisceau se réfléchit sur l'électrode 20, traverse la goutte en sens inverse, puis est collecté par une optique et envoyé vers un détecteur. Le faisceau peut également être transmis à travers la goutte et le substrat, ce dernier étant alors transparent à la longueur d'onde incidente, puis détecté. Le signal mesuré par le détecteur est donné par la loi de Beer Lambert. Il est donc inversement proportionnel à la hauteur de liquide. La source de lumière peut-être un laser ou une diode électroluminescente (LED). Le détecteur peut-être une photodiode, une caméra ou tout autre appareil sensible à la lumière. Cette mesure d'absorption dépendant fortement de la présence d'espèces biologiques. Il est avantageux de normaliser les mesures de hauteur lorsque la goutte oscille par la hauteur de la goutte au repos. Ceci permet d'effectuer une mesure différentielle plus sensible que les mesures absolues.
  • Il est avantageux d'utiliser la technique d'interférométrie qui permet de mesurer en temps réel l'amplitude des ondes de l'interface à l'apex 41 de la goutte. Elle présente l'avantage d'être facile à intégrer sur un laboratoire sur puce. La précision de mesure est plus fine que celle des autres techniques optiques et la mesure est plus rapide à exploiter puisqu'il s'agit d'un seul signal analogique à traiter.
  • Le principe de la technique interférométrique est présenté sur la figure 7 dans l'exemple d'une goutte hémisphérique.
  • Une partie d'un faisceau laser, délivré par la source 61, est conduit par un réseau 62, pouvant être un réseau fibré, vers l'apex 41 de la goutte tandis que l'autre partie est dirigée vers un photodétecteur 63. Après réflexion partielle à l'interface I de la goutte F1, le faisceau est reconduit vers le photodétecteur 63 sur lequel il interfère avec le premier faisceau. Un réseau de franges d'interférences apparaît et lorsque l'interface de la goutte est mise en mouvement, les franges se déplacent. Le photodétecteur 63 traduit ce déplacement de franges par une variation d'intensité dont l'évolution dans le temps engendre un signal modulé en fréquence. L'évolution temporelle de la fréquence instantanée permet de traduire le déplacement de l'apex 41 de la goutte (traitement du signal de type temps-fréquence ou par identification d'un modèle interférométrique). Le seuil minimum de déplacement de l'apex 41 de la goutte peut être d'une demi-longueur d'onde, soit environ 300 nm pour un laser HeNe émettant dans le rouge. Par sa facilité de mise en oeuvre, cette technique optique permet une intégration aisée dans les laboratoires sur puce.
  • La source de lumière 61 est de préférence cohérente. Dans un mode de réalisation de l'invention, la source de lumière 61 est une diode laser, pour des raisons de compacité, de coût et d'intégration. Les mesures de hauteur de liquide sont plus précises aux courtes longueurs d'ondes, mais les lasers sont moins compacts et plus onéreux. Par conséquent, on privilégie les longueurs d'onde rouges et proches infrarouge.
  • Dans le cas de mesures couplées avec de la fluorescence, le laser est sélectionné en fonction des longueurs d'onde d'absorption des fluorophores présents dans ou à l'interface de la goutte.
  • La source de lumière 61 peut éventuellement être thermorégulée afin de délivrer une puissance la plus constante possible. Sa puissance peut également être contrôlée en continu et adaptée de manière à corriger les effets de certains paramètres susceptibles de perturber la mesure (température, hauteur de la goutte au repos, indice optique du fluide etc.)
  • Le séparateur de faisceau 62 peut être composé de plusieurs éléments :
    • un coupleur 1 vers 2 (Y, splitter) qui divise le faisceau laser en deux voies d'amplitude respective réglable ;
    • un coupleur 2 vers 1 (Y, concentrateur), qui envoie le faisceau laser vers la goutte et collecte la réflexion sur l'interface pour l'envoyer vers la dernière partie du dispositif ;
    • un dispositif de focalisation délivrant la lumière du laser sur la goutte et collectant la réflexion sur la surface supérieure. Ce dispositif peut être constitué d'une tête de fibre clivée, d'une fibre lentillée, d'une microlentille, ou d'une selfoc (dans le cas où plusieurs gouttes seraient analysées simultanément) ; et
    • un coupleur 2 vers 1 (Y, concentrateur), qui concentre dans une même fibre le faisceau provenant directement du laser et celui issu de la réflexion sur la goutte.
  • Les coupleurs en Y mentionnés précédemment peuvent être des coupleurs à fibre optique ou bien des microprismes.
  • Le faisceau résultant est ensuite envoyé vers le photodétecteur 63.
  • Le photodétecteur 63 permet la mesure des interférences et peut être tout type de dispositif sensible à la lumière (photodiode, caméra, photodiode à avalanche (APD) etc.). Un filtre transmettant uniquement la longueur d'onde du laser peut éventuellement être placé devant le photodétecteur 63 afin de limiter les perturbations lumineuses extérieures au dispositif (lumière ambiante). Le couplage entre la fibre, si fibre il y a, et le photodétecteur 63 peut-être réalisé par collage, taper, ou bien par un dispositif optique (en particulier si l'on souhaite placer un filtre devant le photodétecteur).
  • La technique de mesure de l'amplitude par interférométrie présente un certain nombre d'avantages :
    • Une grande facilité d'intégration. Une goutte déplacée par électromouillage peut être facilement centrée sur l'un des dispositifs objet de l'invention, et disposée de sorte que son axe de symétrie vertical soit aligné avec une fibre optique à des fins de détection in situ ;
    • La grande sensibilité d'un capteur interférométrique ;
    • La robustesse d'une technique optique ;
    • La mesure absolue sans étalonnage ; et
    • La possibilité d'utiliser une détection synchrone pour augmenter le rapport signal sur bruit.
  • Les moyens de mesure de l'amplitude 60 sont connectés aux moyens d'analyse 70, par exemple disposés sur un circuit imprimé (non représenté), qui permettent d'analyser l'amplitude mesurée pour en extraire la fréquence de résonance, et ainsi en déduire les propriétés microrhéologiques ou physicochimiques de la goutte.
  • Bien entendu, les moyens de mesure et d'analyse peuvent être utilisés sur une goutte qui forme un pont capillaire. Dans ce cas, la mesure est faite de préférence en un point de la section centrale du pont capillaire, zone de l'interface du mode résonant.
  • Selon une seconde variante, les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface, par exemple, par réfractométrie.
  • La méthode connue de réfractométrie (non représentée) permet une mesure de pente suivant une ligne de l'interface, en régime statique ou dynamique. Il est préférable d'appliquer cette méthode suivant une ligne de l'interface de grande longueur, par exemple une ligne comprise dans un plan passant par le centre et l'apex de la goutte, ou, dans le cas d'un pont capillaire, dans un plan passant par la section centrale dudit pont capillaire.
  • Tout comme la mesure de l'amplitude, la mesure de la pente permet d'obtenir, à l'aide des moyens d'analyse, les propriétés rhéologiques et/ou physicochimiques du liquide de la goutte.
  • Bien entendu, les moyens de caractérisation géométrique peuvent comprendre, à la fois des moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées et des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface, tels que décrits précédemment.
  • Selon un second mode de réalisation, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide comprend un dispositif de formation d'ondes selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits précédemment, des moyens de caractérisation cinématique des ondes formées, et des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation cinématique, pour analyser, à partir de la caractérisation cinématique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte F1.
  • Les moyens de caractérisation cinématique peuvent être des moyens de mesure de la vitesse normale des ondes formées, qui peuvent être similaires à ceux permettant de mesurer l'amplitude par interférométrie, tels que décrits précédemment. En effet, la publication de Davoust et al. intitulée « Detection of waves at an interface by way of an optical fibre » Progr. Colloid Polym. Sci. (2000), 115, 249-254, montre que ces moyens de mesure permettent d'obtenir à la fois l'amplitude au point voulu et la vitesse normale.
  • L'analyse des propriétés chimiques de la goutte peut ainsi être réalisée sans marquage de cibles biologiques ou chimiques.
  • Elle peut en outre comprendre des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées par un composé fluorescent ou radioactif.
  • Ces moyens de mesure de la concentration peuvent comprendre un détecteur permettant la mesure d'un rayonnement, par exemple un rayonnement photonique. Dans ce dernier cas, le photodétecteur peut être un imageur, une photodiode à avalanche, un microscope confocal.
  • Alternativement, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide peut ne pas comprendre des moyens de caractérisation des ondes formées, mais des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées. La formation des ondes permet alors de mélanger le liquide de la goutte, voire également, de réaliser une concentration éventuellement sélective de cibles biologiques ou chimiques dans une zone déterminée de l'interface, comme l'apex d'une goutte, ou la section centrale d'un pont capillaire.
  • Enfin, il est possible d'utiliser le dispositif de formation d'ondes tel que décrit précédemment, pour former des ondes à la surface d'une goutte de sang.
  • Par ailleurs, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide tel que décrit précédemment, ledit liquide étant du sang, peut être avantageusement utilisé pour estimer le temps de coagulation.
  • La mesure d'un temps de coagulation est pertinente pour les troubles plaquettaires ou les hémophiles mais aussi et surtout pour tous les patients greffés qui font l'objet d'un traitement anti-coagulant.
  • Le dosage précis de ce traitement requiert des mesures régulières qui sont habituellement réalisées à l'aide d'installations macroscopiques dans les laboratoires d'analyse.
  • L'utilisation du dispositif d'analyse selon l'invention permettrait alors de réaliser un gain de temps et d'argent important.
  • La coagulation (hémostase secondaire) est déclenchée par une réaction de polymérisation à l'issue d'une cascade complexe de facteurs de coagulation.
  • Cette polymérisation consiste en une transformation du fibrinogène, protéine contenue dans le plasma du sang, en fibrine polymérisée, ce qui crée un caillot.
  • L'échelle de temps classique de ce processus est de l'ordre de quelques minutes.
  • La réaction de polymérisation engendre une augmentation de plusieurs ordres de grandeur de la viscosité dynamique au sein de la goutte.
  • Les oscillations à sa surface sont dépendantes des propriétés interfaciales tout autant que des propriétés volumiques de la goutte.
  • La mesure en continue par une technique par exemple optique de l'amplitude de ces oscillations peut ainsi renseigner sur un taux d'amortissement temporel particulièrement proche du temps de coagulation.
  • Ainsi, le dispositif d'analyse d'une goutte de sang permet d'obtenir le temps de coagulation de manière particulièrement rapide et peu coûteuse.
  • L'invention concerne également un procédé de formation d'ondes à l'interface d'une goutte de liquide, comprenant les étapes suivantes :
    • disposer une goutte de liquide F1 sur au moins une électrode d'excitation 20 présentant un premier axe de symétrie, de sorte que l'axe de symétrie de ladite goutte F1 coïncide sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, et
    • générer un champ électrique oscillant et radial autour dudit premier axe de symétrie, de sorte que des ondes axisymétriques sont formées par électromouillage à l'interface I de ladite goutte F1.
  • Lesdites ondes présentent, de préférence, un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 1, et avantageusement égal à 10-3.
  • L'invention concerne également un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment, une étape de caractérisation géométrique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation géométrique desdites ondes formées.
  • Comme pour le dispositif d'analyse, l'étape de caractérisation géométrique peut être une mesure de l'amplitude des ondes formées, ou une mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface.
  • De préférence, la mesure de l'amplitude desdites ondes est réalisée dans une zone déterminée de l'interface sensiblement éloignée de la ligne triple de la goutte, par exemple à l'apex d'une goutte hémisphérique, ou dans la section centrale d'un pont capillaire.
  • La mesure de la pente peut être réalisée suivant une ligne contenue dans un plan passant par l'apex et le centre d'une goutte hémisphérique, ou dans un plan contenant la section centrale d'un pont capillaire.
  • L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une des caractéristiques précédentes, une étape de caractérisation cinématique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation cinématique desdites ondes formées.
  • L'étape de caractérisation cinématique peut être une mesure de la vitesse normale des ondes formées, telle que décrite précédemment.
  • Le procédé d'analyse d'une goutte de liquide peut comprendre, en outre, une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.
  • L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, et une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.

Claims (22)

  1. Dispositif de formation d'ondes à l'interface (I) d'une goutte de liquide (F1) par électromouillage, caractérisé en ce qu'il comprend :
    au moins une électrode d'excitation (20; 30) adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un premier axe de symétrie, sous l'effet d'une commande électrique,
    de sorte qu'en présence d'une goutte de liquide (F1) disposée sur ladite électrode d'excitation (20 ; 30) et présentant un axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, ledit champ électrique génère des ondes à l'interface (I) de ladite goutte (F1), lesdites ondes générées étant essentiellement axisymétriques.
  2. Dispositif de formation d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 10-1, et/ou un rapport amplitude sur rayon de la goutte inférieur ou égal à 10-1.
  3. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une unique électrode d'excitation (20) présentant sensiblement une forme de disque.
  4. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une unique électrode d'excitation (20) sensiblement annulaire.
  5. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode d'excitation (20) annulaire et une seconde électrode d'excitation (30) formant contre-électrode présentant sensiblement une forme de disque entouré par ladite première électrode d'excitation (20).
  6. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode d'excitation (20) et une seconde électrode d'excitation (30) formant contre-électrode, présentant chacune sensiblement une forme demi-annulaire arrangées en regard l'une de l'autre.
  7. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode d'excitation (20) et une seconde électrode d'excitation (30) formant contre-électrode, présentant chacune sensiblement une forme de demi-disque arrangées en regard l'une de l'autre.
  8. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, ou 4 à 6, caractérisé en ce que la ou les électrodes d'excitation (20 ; 30) comporte un bord intérieur (21 ; 31) définissant une bordure intérieure sensiblement circulaire, la ligne triple de ladite goutte étant sensiblement en regard de ladite bordure intérieure.
  9. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la ou les électrodes d'excitation (20; 30) comporte un bord extérieur (22 ; 32) définissant une bordure extérieure sensiblement circulaire, la ligne triple de ladite goutte étant sensiblement en regard de ladite bordure extérieure.
  10. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit champ électrique induit une différence de potentiel d'électromouillage entre l'électrode d'excitation (20) et ladite goutte (F1) présentant une fréquence comprise entre 10Hz et 150Hz.
  11. Dispositif de formation d'ondes selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite différence de potentiel d'électromouillage présente une amplitude comprise entre 1V et 100V.
  12. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de piégeage de la ligne triple de ladite goutte (F1).
  13. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, au moins une électrode d'excitation secondaire (20-1), située en face, parallèlement à ladite électrode d'excitation (20), adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un troisième axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, sous l'effet de ladite commande électrique.
  14. Dispositif de formation d'ondes selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite goutte (F1) est un pont capillaire formé entre ladite électrode d'excitation (20) et ladite électrode d'excitation secondaire (20-1).
  15. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide, caractérisé en ce qu'il comprend :
    - un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 14,
    - des moyens de caractérisation géométrique ou cinématique des ondes formées, et
    - des moyens d'analyse (70), connectés auxdits moyens de caractérisation, pour analyser, à partir de la caractérisation des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte (F1).
  16. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de l'amplitude (60) des ondes formées, et/ou des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface.
  17. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens de caractérisation cinématique sont des moyens de mesure de la vitesse normale des ondes formées.
  18. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide, caractérisé en ce qu'il comprend :
    - un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 14,
    - des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.
  19. Procédé de formation d'ondes à l'interface d'une goutte de liquide par électromouillage, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    - disposer une goutte de liquide (F1) sur au moins une électrode d'excitation (20) présentant un premier axe de symétrie, de sorte que l'axe de symétrie de ladite goutte (F1) coïncide sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, et
    - générer un champ électrique oscillant et radial autour dudit premier axe de symétrie, de manière à former des ondes essentiellement axisymétriques à l'interface (I) de ladite goutte (F1).
  20. Procédé de formation d'ondes selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 10-1, et/ou un rapport amplitude sur rayon de la goutte inférieur ou égal à 10-1.
  21. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon la revendication 19 ou 20, une étape de caractérisation géométrique ou cinématique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation desdites ondes formées.
  22. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon la revendication 19 ou 20, et une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.
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