EP2591857A1 - Dispositif et procédé de manipulation des gouttes - Google Patents

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EP2591857A1
EP2591857A1 EP12191596.1A EP12191596A EP2591857A1 EP 2591857 A1 EP2591857 A1 EP 2591857A1 EP 12191596 A EP12191596 A EP 12191596A EP 2591857 A1 EP2591857 A1 EP 2591857A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drop
fluidic
electrodes
finger
zones
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Withdrawn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
EP12191596.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Raphël Renaudot
Vincent Agache
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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 Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2591857A1 publication Critical patent/EP2591857A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B01L3/502792—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics for moving individual droplets on a plate, e.g. by locally altering surface tension
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0406—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces capillary forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic

Definitions

  • the present invention relates to the general field of drop formation and manipulation in a microfluidic device.
  • This may be the case, for example, for establishing biological and / or chemical interactions between two solutions for a chemical analysis, a biological or medical diagnosis, or in the field of genetic engineering or agro-food.
  • biochips which constitute, in the field of molecular biology, microsystems for the analysis of nucleic acid hybridization (DNA and / or RNA), or of the antigen-type interaction.
  • DNA and / or RNA nucleic acid hybridization
  • antigen-type interaction antibody, protein / ligand, protein / protein, enzyme / substrate, etc.
  • the manipulation of the drops or fluid flow can be carried out using hydrodynamic, electrical or magnetic means.
  • Several handling techniques can be used, such as, for example, electrowool manipulation and dielectrophoresis effect manipulation.
  • EWOD electrowetting (Electrowetting on Dielectric) makes it possible to perform multiple elementary fluidic operations.
  • This technique generally uses a pad of electrodes that is sequentially switched according to a suitable control to advance step by step a drop on a surface. Moving a EWOD drop can be achieved by using a potential difference between an electrode on a hood and another electrode on a substrate. The drop is thus directly in contact with the two planes. It is also possible to move a drop from one electrode to another by applying a potential difference between the incoming electrode and the surrounding fluid. However, a drop has its own volume as soon as it is formed and either it never comes into contact with the plane facing it, or it is always in contact with the plane facing it. This characteristic is not controllable. Likewise, this technique does not make it possible to form drops vis-à-vis from the different liquid flows.
  • the LDEP dielectrophoresis method is used for the formation of drops on a surface.
  • this technique has been applied in an open configuration ( ie without a cover) or in a closed configuration with configurations identical to the displacement of drops by EWOD ( ie with a potential difference between an electrode array on a surface and a electrode representing the mass on the hood). In this configuration the liquid is in contact with the substrate and the hood.
  • Another patent application US20110056834 discloses a closed microfluidic device having two similar LDEP platforms facing each other and spaced from each other.
  • the first platform (or substrate) comprises electrodes decoupled from each other and activated independently by an AC signal and the second platform (or cover) comprises an electrode acting as a mass.
  • This configuration allows the flow of liquid to be displaced in several directions by LDEP effect.
  • the liquid needs to touch both the hood and substrate electrodes to be able to be moved.
  • this device does not allow the transfer of a liquid from one surface to another or the formation and the precise and reproducible manipulation of drops.
  • the object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks by providing a more efficient and accurate device and method for forming and handling drops.
  • a fluid finger formed on one of the first and second tracks will not be impacted by the other of said first and second tracks while permitting the interaction of each of the first and second tracks with the drop formed on one or the other of the first and second tracks.
  • a mixture is obtained during the bringing into contact of the two drops formed vis-a-vis.
  • mixing is also meant a combination of immiscible liquids, the mixture then being two-phase, that is to say comprising two immiscible liquid phases, a liquid phase being for example encapsulated in a second liquid phase.
  • said first electrical path of displacement comprising a pair of substantially parallel and coplanar first electrodes disposed at said first surface for the formation under the effect of the electrical activation, of a first fluidic finger from a first reservoir of a first liquid of interest
  • said second electrical path of displacement comprising a pair of substantially parallel and coplanar second electrodes disposed at said second surface for formation under the effect of electrical activation of a second fluidic finger from a second reservoir of a second liquid of interest
  • said first and second fluidic fingers disrupting by capillarity under the effect of deactivation, generating at least one first drop and at least one second drop respectively that are mixed in said at least one crossing zone to form at least one overall drop.
  • this device is ideally suited for handling drops to achieve different applications requiring for example interactions or reactions between two volumes of liquids.
  • said pair of first electrodes comprising a plurality of first drop formation zones, so that at the deactivation of said pair of first electrodes, the first fluidic finger breaks into a plurality of first drops each located on one of said first drop formation areas.
  • said pair of second electrodes comprising a plurality of second drop formation zones each disposed opposite a first distinct drop formation zone thus forming a plurality of crossing zones, so that at the disabling said pair of second electrodes, the second fluid finger breaks into a plurality of second drops each located on one of said second drop forming zones, each second drop contacting the corresponding first drop to form an overall drop in the corresponding crossing zone.
  • said first surface comprises a first network of m pairs of first electrodes each comprising a sequence of n first drop formation zones thus forming a first set of nm first drop formation zones, said second surface comprising a second network of n pairs of second electrodes each comprising a sequence of m seconds forming drop zones thus forming a second set of nm second drop formation zones, said first nm forming drop zones crossing said nm seconds drop formation zones to form a set of nm crossing zones.
  • said pair of second electrodes is configured to move at least a second drop and / or at least one global drop located along said pair of second electrodes.
  • said first electrical displacement track comprises a pair of substantially parallel and coplanar first electrodes disposed at said first surface for forming by liquid dielectrophoresis under the effect of electrical activation, of a finger fluidic from a reservoir of liquid of interest, said fluidic finger breaking by capillarity under the effect of deactivation, generating at least one drop, said second electrical path of displacement comprising second electrodes for the displacement of said at least one drop under the effect of an electrical activation of said second electrodes.
  • the device comprises means for detecting a component of a drop formed at said at least one crossing zone.
  • said detection means are optical means comprising a light source for emitting light onto said at least one drop and receiving means for receiving the light diffused by said at least one drop.
  • said detection means are electromechanical means comprising at least one plane oscillator, one side of which forms a detection surface belonging to one or the other of said first and second surfaces.
  • said detection surface has a hydrophilic zone intended to be covered by said at least one drop.
  • each of said first and second electrodes is covered with a dielectric layer.
  • said first m reservoirs respectively comprise m first samples of different properties of a first solution and said n second reservoirs respectively comprise n second samples of different properties of a second solution thus forming nm different overall drops.
  • the method may comprise detection by optical, electromechanical, or electrophysiological means of the different interactions between said first and second solutions.
  • the Fig. 1 schematically illustrates a microfluidic device 1 for handling a drop, according to the invention.
  • the microfluidic handling device 1 comprises a first microfluidic surface 3a and a second microfluidic surface 3b.
  • the first and second surfaces 3a, 3b are parallel to each other and spaced from each other by a separation distance H.
  • At least a first electrical displacement track 5a is disposed at the first surface 3a (here, only one first track is illustrated).
  • At least a second electrical displacement track 5b is disposed at the second surface 3b (here, only one second track is shown).
  • electrical track is meant either a continuous electrode, extending in a given direction, or a plurality of adjacent elementary electrodes. In the latter case, each electrode is separated from its neighbor by a small spacing, this spacing being typically 1 micron for a width of the electrode of 10 microns, the width being the dimension in a direction perpendicular to that of the spacing .
  • the first and second electrical tracks 5a, 5b of displacement define between them at least one crossing zone 7 vis-a-vis, without contact. In other words, they are not in contact with each other.
  • first and second tracks 5a, 5b are arranged in such a way that there is at least one straight line (in the Z direction) orthogonal to the first and second surfaces 3a, 3b intercepting the first track 5a at a first point 7a and the second track 5b at a second point 7b so that the space formed between these two points defines the crossing zone 7.
  • the distance between the first and second points 7a, 7b is of course equal to the separation distance H .
  • the directions in the plane (X, Y) of the first and second tracks 5a, 5b may be intersecting at any angle forming a single crossing zone 7 ( Fig. 1 ) or, together, forming an infinity of crossing zones.
  • At least one of the first and second tracks 5a, 5b is configured to form by liquid dielectrophoresis, under the effect of an electrical activation, a respective fluid finger along the track.
  • liquid dielectrophoresis for Liquid Dielectrophoresis
  • LDEP liquid dielectrophoresis
  • the application of an electric force on an electrically insulating or conductive liquid the force being generated by a non-uniform oscillating electric field.
  • the formation of a fluid finger by liquid dielectrophoresis is described in particular in the article of Jones entitled “Liquid dielectrophoresis on the microscale", J. Electrostat, 51-52 (2001), 290-299 .
  • the molecules of the liquid acquire a non-zero dipole and become polarized. Insofar as the field is non-uniform, a Coulomb force appears and induces the displacement of the molecules of the liquid, and thus of all the liquid, towards a maximum of field.
  • the fluidic finger is formed along the respective track 5a, 5b from a reservoir 9a, 9b, corresponding liquid of interest disposed so as to be able to bring the liquid into contact with the associated surface 3a, 3b.
  • the Fig. 1 shows a first reservoir 9a disposed at the first surface 5a and optionally a second reservoir (shown dashed) 9b disposed at the second surface 3b.
  • the fluidic finger when the electrical control is stopped, the fluidic finger has an unstable shape. Capillary instability then develops rapidly and causes the finger to break in one or more drops, thereby lowering the surface energy of the liquid.
  • each fluidic finger formed on the first surface 3a and / or the second surface 3b breaks by capillarity under the effect of an electrical deactivation, by generating a respective drop (s) in the (the) ) crossing area (s) 7.
  • first and second tracks 5a, 5b are configured so that the separation distance H between the first and second surfaces 3a, 3b is on the one hand greater than the fluidic thickness formed by each fluidic finger and, d on the other hand, less than the fluidic thickness formed by each drop.
  • the separation distance H is such that the fluidic finger does not touch the other track while at least one of the drops generated by this finger touches this other track.
  • the separation distance H is such that the fluidic fingers do not touch while at least one of the drops generated by the first finger touches another drop among the drops generated by the second finger.
  • a microfluidic device for handling a drop according to a first embodiment of the invention.
  • the handling device 101 comprises an upper substrate 11a forming a cover and a lower substrate 11b, arranged facing one another.
  • the terms “lower” and “higher” are here to be understood in terms of orientation along the Z direction of the orthonormal frame (X, Y, Z).
  • the cover 11a has a lower face formed of a dielectric layer 13a.
  • the free surface of the dielectric layer 13a corresponds to the first surface 3a.
  • the lower substrate 11b has an upper face formed of a dielectric layer 13b.
  • the free surface of the dielectric layer 13b corresponds to the second surface 3b.
  • the material of the lower substrate 11b or higher 11a may be chosen from among the following materials: glass, pyrex or an organic material such as polycarbonate or PEEK, monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, diamond, silicon nitride, silicon dioxide, silicon oxide, nickel, tungsten or even platinum.
  • the upper substrate 11a is advantageously made of a transparent material.
  • the thickness of the upper substrate 11a or lower 11b may be between a few tens of microns and a few millimeters.
  • the device 101 has height separation walls 15 to provide a regular and precise separation distance H between the first and second surfaces 3a, 3b of the two substrates 11a and 11b.
  • the material of the partition walls may be, for example, polymer, resin, dry films, or silicon.
  • the upper substrate 11a comprises a first reservoir 9a formed for example by a first orifice 9a passing through and opening at the first surface 3a.
  • the first port 9a may be filled with a first liquid of interest 119a.
  • the lower substrate 11b has a second orifice 9b passing through and opening at the second surface 3b.
  • the orifice 9b may be filled with a second liquid of interest 119b, thus forming a second reservoir 9b of liquid of interest 119b.
  • the liquid has any electrical conductivity.
  • this conductivity is less than 100 mSm -1 , or even less than 1 mSm -1 .
  • the handling device 101 comprises electrical means for forming the fluidic fingers by liquid dielectrophoresis. More particularly, the lower and upper substrates 11a, 11b respectively comprise first and second electrical tracks 5a, 5b of displacement to form liquid fingers by liquid dielectrophoresis on the first and second surfaces 3a, 3b, respectively.
  • the direction of the first track 5a is represented, by way of example, parallel with that of the second track 5b thus forming a plurality of crossing zones 7.
  • the first electrical displacement track 5a comprises a pair of first displacement electrodes 51a, 52a disposed at the first surface 3a.
  • the first electrodes 51a and 52a are parallel to each other, coplanar and substantially straight.
  • the second electrical displacement track 5b comprises a pair of second moving electrodes 51b, 52b disposed at the second surface 3b.
  • the second electrodes 51b and 52b are parallel to each other, coplanar and substantially rectilinear.
  • the first and second displacement electrodes (51a, 52a, 51b, 52b) are indentations made of a metallic material, for example gold or aluminum.
  • the first dielectric layer 13a which forms the first surface 3a or the second dielectric layer 13b which forms the second surface 3b may be, for example, an oxide SiO 2 , nitride (SiN, Si 3 N 4 ), resins, films SiOC, hydrophobic polymers such as Teflon (trademark - tetrafluoroethylene) or other fluoropolymers, a polymer of poly-p-xylylene (parylene) a high-k oxide deposited by the so-called ALD process (HfO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , Ba (1-x) Sr x TiO 3 (BST) ...), and have a thickness of between a few nm (for example 10 nm or 25 nm) and a few microns ( for example 5 ⁇ m). It avoids the electrolysis of the liquid if it was in direct contact with the displacement electrodes (51a, 52a
  • the dimensions of the first and second electrodes 51b, 52b are chosen so that, on the one hand, the sum a maximum thickness of a first finger to be formed on the first surface 3a and a maximum thickness of a second finger to be formed on the second surface 3b is less than the separation distance H and, secondly, the sum of a radius of a first drop to be formed on the first surface 3a and a radius of a second drop to be formed on the second surface is greater than the separation distance H.
  • a first fluidic finger 19a formed on the first surface 3a does not come into contact with a second fluidic finger 19b formed on the second surface 3b (see FIG. Figs. 6B and 6C ).
  • a first drop on the first surface 3a and a second drop on the second surface 3b are formed in the same crossing zone ( ie of the same coordinates (x, y)), they come into contact (see Figs. 5 , 6D and 6E ).
  • the first displacement electrodes 51a, 52a are connected to a first voltage generator 21a ( Fig. 3A ) for applying a first potential difference between these electrodes 51a, 52a.
  • the second displacement electrodes 51b, 52b are connected to a second voltage generator 21b ( Fig. 3C ) for applying a second potential difference between these electrodes 51b, 52b.
  • the first generator and the second generator can be confused: there is then a single generator, which can apply different signals to each pair of electrode. In the latter case, the two pairs of electrodes (51a-51b and 52a-52b) can also be fed by the same signal.
  • the first or second applied voltage is an AC voltage whose frequency is between, for example, a few hertz (for the less conductive liquids) and a few megahertz, for example between 10 kHz and 10 MHz, and a preferential voltage from a few RMS volts to a few hundred RMS volts.
  • the frequency is of the order of the Hz.
  • a first fluidic finger 19a is formed on the pair of first electrodes 51a, 52a from the first reservoir 9a of first liquid. interest 119a ( Fig. 3A ).
  • a second fluidic finger 19b is formed on the pair of second electrodes 51b, 52b from the second reservoir 9b of second liquid. interest 119b ( Fig. 3C ).
  • the electrical activations are done simultaneously on both surfaces. And even more advantageously, the electrical deactivation is done simultaneously on both surfaces.
  • the first and second fluidic fingers 19a, 19b break by capillary action, generating at at least a first drop 23a and at least a second drop 23b respectively which are mixed in at least one crossing zone 7 to form at least one overall drop ( Fig. 2 ).
  • the pair of first displacement electrodes 51a, 52a (or respectively the pair of second displacement electrodes 51b, 52b) has a plurality of first drop forming zones (or respectively a plurality of second drop forming zones).
  • the Fig. 3E shows a pair of displacement electrodes 51, 52 (representing first or second displacement electrodes) having a plurality of drop forming zones 53, so that upon deactivation of the electrodes 51, 52, the fluidic finger breaks in a plurality of drops each located on one of these drop forming zones 53.
  • each electrode 51, 52 has an inner edge 54, 55 and an outer edge 56, 57.
  • the inner edges 54, 55 are arranged opposite one another.
  • the drop forming zones 53 are formed of planar protuberances, or planar bumps 531 and 532, which extend outwardly of each displacement electrode 51, 52.
  • the bumps 531 and 532 are part of the electrodes 51 , 52 and are coplanar with these.
  • the bumps 531 and 532 are here arranged symmetrically with respect to each other and each belonging to a different displacement electrode 51, 52.
  • the displacement electrodes 51, 52 comprise rectilinear portions 58 and drop formation zones 53 interconnected by said rectilinear portions 58.
  • the inner edges 54, 55 of the displacement electrodes 51, 52 are spaced from each other by a distance g.
  • Each bump 531 and 532 is a half-disc of radius R bump in the plane (X, Y) and whose center is located in the continuity of the border outer 56, 57 rectilinear portions 58.
  • the radius R hump of a bump is of the order of the radius R of the fluidic finger.
  • the section of the fluidic finger in the vertical plane (Y, Z) is semicircular, and that its surface is invariable along the electrodes.
  • the width w of the electrodes is of the same order of magnitude as their spacing g, the fluid finger at any point in the path covers an area inscribed between the two lateral ends of the electrodes. 2R is the distance separating these two straight ends ( ie the outer edges 56, 57 of the rectilinear portions 58 of the displacement electrodes 51, 52).
  • the drop forming zones 53 are arranged equidistant from each other, preferably between 8R and 10R, and preferably at 9.016R.
  • the spacing distance between the drop formation zones 53 is substantially equal to the most unstable wavelength ⁇ max of the fluid finger which extends along the displacement electrodes 51, 52 .
  • the pair of first electrodes 51a, 52a comprises a plurality of first drop forming zones 53 and the pair of second electrodes 51b, 52b comprises a plurality of second drop forming zones 53 (see FIG. Fig. 5 ).
  • the first fluidic finger 19a breaks into a plurality of first drops 23a each located on one of these first drop-forming zones 53.
  • the second fluidic finger 19b breaks into a plurality of second drops 23b each situated on one of these second drop-forming zones 53.
  • the second drop forming regions 53 are each disposed opposite a first distinct drop forming zone 53 thus forming a plurality of crossing zones 7 so that at the first 51a, 52a and 52a are deactivated.
  • This makes it possible to form fully reproducible mixtures between the drops of the first surface 3a and those of the second surface 3b. Reproducible means that the volume of the mixture and its location are controlled.
  • the operation of the handling device 101 according to, for example, the configuration of the Fig. 3E is as follows, with reference to Figs. 4A to 4C .
  • a first step ( Fig. 4A ) the first liquid of interest 119a is brought into contact with the first surface 3a from the first reservoir 9a.
  • the second liquid of interest 119b is brought into contact with the second surface 3b from the second reservoir 9b.
  • the first fluidic finger 19a extends along the first two displacement electrodes 51a, 52a.
  • the first fluidic finger 19a substantially covers the first displacement electrodes 51a, 52a over their entire length, and has a contact width (in the plane (X, Y)) substantially equal to the distance 2R defined above and corresponding to the distance separating the outer edges of the first electrodes 51a, 52a, in their rectilinear part.
  • the second fluidic finger 19b extends along the two second displacement electrodes 51b, 52b substantially covering the second electrodes over their entire length.
  • the first fluidic finger 19a breaks by capillarity into a plurality of first drops each located on a first drop formation zone.
  • the second fluidic finger 19b breaks by capillarity into a plurality of second drops each located on a second drop formation zone.
  • the fluid finger 19a, 19b in the absence of electrostatic force, is naturally unstable.
  • the finger breaks under the effect of a hydrodynamic instability of the Rayleigh-Plateau type. This splitting of the finger into a plurality of drops makes it possible to reduce the surface energy of the liquid.
  • Instability is a capillarity / inertia competition and the most unstable wavelength is such that k max .
  • R 1 / 2 , where k max is the wave number.
  • the drop forming zones (53a, 53b) are spaced from each other by a distance substantially equal to ⁇ max . These drop formation zones make it possible to deform the interface of the fluidic finger 19a, 19b at the wavelength ⁇ max , and thus to "preselect" the desired wavelength.
  • the drops are formed simultaneously and are each located in a drop formation zone 53a, 53b.
  • Each drop has a calibrated volume.
  • the volume depends on the width 2R of the fluidic finger 19a, 19b, the distance ⁇ max between the drop formation zones 53a, 53b and the bump R radius of the protrusions, or bumps 531, 532, through the following equation: 2 ⁇ ⁇ 3 ⁇ R bump + R 3 ⁇ ⁇ 2 ⁇ R 2 ⁇ ⁇ max + 2 ⁇ ⁇ 3 ⁇ R bump 3
  • the spacing distance H between the first surface 3a and the second surface 3b, as well as the lateral dimensions g and w and optionally R bump electrodes displacement 51, 52 are adapted so that the maximum thickness of the first and second fingers is less than the distance H and the sum of the radii of the first and second drops has a thickness greater than this distance H.
  • the height H separating the first and second surfaces satisfies the following inequality: R AT + R B ⁇ H ⁇ 2 ⁇ R AT + 2 ⁇ R B .
  • FIG. 5 is a schematic perspective view of the crossing zone of the device of the Fig. 2 .
  • the first electrodes 51a, 52a may have a width w A of the order of 8 .mu.m to 16 .mu.m and be spaced from each other by a distance g A of the order of 4 .mu.m to 8 .mu.m
  • second electrodes 51b, 52b may have a width w B of the order of 16 .mu.m to 20 .mu.m and be spaced from each other by a distance g B of the order of 8 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the distance ⁇ A, max between the first zones of formation of drop is from order 90 ⁇ m to 180 ⁇ m
  • the radius R A, bump of the half-disc is of the order of 9.6 ⁇ m to 19.2 ⁇ m
  • the radius R A, drop ( ie, R A, total ) of the first drop 23a is of the order of 19.6 ⁇ m to 39.2 ⁇ m
  • the VA volume of the first drop is of the order of 16 pL to 126 pL.
  • the radius R B of the second fluidic finger is of the order of 20 ⁇ m to 30 ⁇ m
  • the distance ⁇ B max between the second drop formation zones is of the order of 180 ⁇ m to 270 ⁇ m
  • the radius R B, bump of the half-disc is of the order of 19.2 ⁇ m to 28.8 ⁇ m
  • the radius R B, drop ( ie R B, total ) of the second drop is of the order of 39.2 ⁇ m to 58.8 ⁇ m
  • the volume V B of the second drop 23b is of the order of 126 ⁇ L to 426 ⁇ L
  • the volume V C of the overall drop is of the order of 252 ⁇ L to 442 ⁇ L.
  • first and second drops 23a, 23b have a thickness sufficient for the first drops 23a of the first surface 3a to come to contact of the corresponding second drops 23b of the second surface 3b thus forming corresponding overall drops.
  • the method according to the invention makes it possible to form drops rapidly and to manipulate them accurately to achieve interactions between different solutions of interest.
  • the drop forming zones 53 can be made on only one of the first and second surfaces 3a, 3b.
  • drops are formed at the desired locations (that is to say at the level of the electrodes with growths) and the liquid can be moved again thanks to the electrodes vis-à-vis do not have an outgrowth .
  • the pair of first displacement electrodes 51a, 52a may have a plurality of first drop forming regions 53a, while the pair of second electrodes 51b, 52b do not have one.
  • the first fluidic finger 19a breaks into a plurality of first drops 23a each located on one of these first drop forming zones 53a.
  • the pair of second electrodes 51b, 52b can be activated to move at least a second drop 23b along these second electrodes, to come into contact with a corresponding first drop 23a located in a first drop forming zone 53 so that to form a global drop 25.
  • the pair of second electrodes 51b, 52b can be activated to then move the overall drop 25 thus formed along the second electrodes.
  • Figs. 6A-6E schematically illustrate a microfluidic device for handling drops, according to a particular configuration of the first preferred embodiment of the invention.
  • the first surface 3a includes a first array of m pairs of first electrodes 51a, 52a each comprising a sequence of n first drop forming regions 53a thereby forming a first set of nm first drop forming regions 53a.
  • the device 102 also comprises a set of m first reservoirs 9a of m first liquids of interest 119a arranged so as to be able to respectively contact the first m liquids of interest 119a with the m pairs of first electrodes 51a, 52a.
  • the second surface 3b includes a second array of n pairs of second electrodes 51b, 52b each comprising a sequence of m second drop forming regions 53b thereby forming a second set of nm second drop forming regions 53b.
  • the device comprises an assembly of n second reservoirs 9b of n second liquids of interest 119b arranged so as to be able to respectively bring into contact the n second liquids of interest 119b with the n pairs of second electrodes 51b, 52b .
  • the first nm drop forming regions 53a are arranged to intersect the nm second drop forming zones 53b to form a set of nm crossing zones 7.
  • the first electrodes 51a, 52a of the first surface 3a can form, with respect to the electrodes 51b, 52b of the second surface 3b, any angle ⁇ so long as the separation distance H is well dimensioned with respect to the widths w A , w B and gaps g A , g B pairs of electrodes so that the inequality (R A + R B ) ⁇ H ⁇ (2R A + 2R B ) is satisfied.
  • the mother drops of the first m liquids of interest 119a are in the first m reservoirs 9a at the beginning of the tracks of m pairs of first electrodes 51a, 52a.
  • the mother drops of the n second liquids of interest 119b are in the n second reservoirs 17b at the beginning of the tracks of n pairs of second electrodes 51b, 52b.
  • the Fig. 6B (top view) and the Fig. 6C (seen in section) show that when an oscillating signal with a frequency and a suitable voltage is sent by an alternating voltage source 21a, 21b on the first 51a, 52a and second 51b, 52b electrodes, first and second fluidic fingers 19a , 19b move along the electrodes without coming into contact. After a very short time (of the order of a few tens of milliseconds), the fluidic fingers 19a, 19b reach the ends of the electrodes.
  • the profile of the fingers is a semi-disk and has radius R A for the first fingers and R B for the second fingers.
  • Fig. 6D top view
  • Fig. 6E bottom view
  • n first drops 23a with a radius of about 2 R A are formed on the first nm drop forming regions 53a
  • nm second drops 23b with a radius of about 2 R B are formed on the nm second drop forming zones 53b.
  • each of the first nm 23a drops from the first surface 3a interact with the corresponding drop 23b nm second drops from the second surface 3b to form a set of nm overall drops in the nm crossing zones 7.
  • the device can also be used to form a network of solid pillars with reconfigurable geometry.
  • the displaced liquids are, for example, waxes or paraffins which have interesting melting and solidification properties.
  • the handling device comprises means for detecting a component of a drop formed at at least one crossing zone.
  • detection means may be optical, electromechanical, chemical or other means.
  • Figs. 7A and 7B schematically illustrate a handling device according to a configuration of Figs. 6A-6E , and comprising optical detection means.
  • This device 103 is a microfluidic chip comprising an upper substrate 11a made of a transparent material and coupled to optical detection means 61, 63.
  • These means comprise a light source 61 illuminating the overall drop (s). 25 through the transparent substrate 11a and a sensor, or means 63 for receiving light to receive the light diffused by this (these) drop (s) 25.
  • the light diffused by a drop makes it possible to analyze the interaction which occurs inside this drop.
  • n ⁇ sample C A1, C A2, C A3, C A4
  • n ⁇ samples C B1 , C B2 , C B3 , C B4
  • the detection means are electromechanical means.
  • the handling device comprises at least one detector on at least one of the upper and lower substrates.
  • the detector may be a planar electromechanical oscillator disposed at a crossing zone and a face of which forms a detection surface belonging to one or the other of the first and second surfaces.
  • FIGs. 8A and 8B schematically illustrate electromechanical detection means integrated in a handling device according to a variant of the first embodiment.
  • the Fig. 8A is a schematic view in longitudinal section of the device and the Fig. 8B is a schematic perspective view of a portion of the lower substrate of the device of the Fig. 8A .
  • the upper substrate 11a of the device 104 is similar to that previously described.
  • the upper substrate 11a comprises a hydrophobic layer 14a formed on the dielectric layer 13a.
  • the hydrophobic layer 14a which then forms the first surface 3a may be SiOC, PTFE (polytetrafluoroethylene), even parylene, and have a thickness of a few nanometers to a few microns.
  • the dielectric layer 13a and the hydrophobic layer 14a may be a single layer of the same material, which may be, for example, Teflon, parylene, SiOC.
  • the lower substrate 111b comprises a plurality of electromechanical oscillators 71 held in the substrate 111b by support means 73 ( Fig. 8B ).
  • the upper face (i.e., the second surface 113b) of the lower substrate 111b then has sensing surfaces 114b formed by the faces of the oscillators 71.
  • the oscillators 71 may be similar or identical to those described in the international application WO2009 / 141515 , filed in the name of the applicant, describing a device for gravimetric detection of particles in a fluid medium.
  • Each oscillator 71 is here a square plate disposed above a cavity 75 allowing it to vibrate in its plane and out of plane. However, it may have other shapes, for example a disk, a ring, or a polygon.
  • Each plate 71 is mounted on the lower substrate 111b by support means 73, contact peaks ( Fig. 8B ) or possibly beams (not shown), distributed at the four corners of the oscillator 71 and oriented along the diagonals thereof.
  • the square plate 71 has a width of between 5 and a few hundred microns. Its thickness is typically less than or equal to one tenth of its width.
  • the square plate 71 can be made of a material chosen from monocrystalline silicon, polycrystalline silicon, diamond, silicon nitride, silicon oxide, nickel, tungsten or even platinum or any other material used in the process. microsystems or electromechanical nanosystems (MEMS, NEMS).
  • the pair of second displacement electrodes 51b, 52b extends on the second surface 113b from a second reservoir (not shown), extends on the square plate 71 of the detection surface oscillator 114b, by the intermediary Support means 73.
  • the pair of second electrodes 51b, 52b form a second drop forming zone 153b at the detection surface 113b.
  • the square plate 71 is disposed in a crossing zone 7 directly facing a first drop forming zone 53a of the first displacement electrodes.
  • Each oscillator 71 is adapted to be vibrated, preferably at its resonance frequency, by capacitive coupling with actuation electrodes 81, 82 arranged opposite the edge of the oscillator 71.
  • the oscillator 71 can vibrate, preferably in its plane, according to a predetermined vibration mode chosen from the Lamé mode, the volumetric expansion mode or the so-called “wineglass” mode ( Wine Glass ) or any other contour mode.
  • the gravimetric detection is performed by capacitive coupling between the oscillator 71 and two measurement electrodes 84, 85 arranged opposite the edge of the oscillator 71.
  • the second fluidic finger is formed by liquid dielectrophoresis and extends on the lower substrate 111b and the oscillators 71 via the corresponding support means 73.
  • the second drop forming areas 153b are disposed on each detection surface 114b.
  • the second fluidic finger breaks by capillarity in a plurality of second drops, each being disposed on a second drop-forming zone 153b, and thus on a detection surface 114b of the oscillator 71 corresponding.
  • Each of the second drops 23b formed on the detection surfaces 114b interacts with the corresponding drop of the first drops 23a issuing from the first surface to form a set of overall drops on the different detection surfaces 114b. Gravimetric detection then makes it possible to analyze the interactions occurring inside these drops.
  • the detection surface 114b of the oscillator 71 can advantageously have a hydrophilic zone intended to be covered by the droplet.
  • the manipulation device may comprise electrophysiological detection means (not shown).
  • the oscillators 71 in the lower substrate 11b can be replaced by electrophysiological sensors. These sensors record ionic currents flowing through cell membranes forming detection surfaces.
  • the lower substrate has, at the level of the detection surface, an opening acting as a fluidic chamber, one of whose walls is the lower face of the membrane.
  • a microfluidic device 201 for handling a drop according to a second embodiment of the invention.
  • the handling device 201 comprises a lower substrate 211b and an upper substrate 11a forming a cover, arranged facing one another.
  • the upper substrate 11a is identical to what has been described above and thus comprises at least one reservoir 9a of liquid of interest and at least one first electrical displacement track 5a disposed at the first surface 3a.
  • the upper substrate 11a further comprises a hydrophobic layer 14a formed on the dielectric layer 13a.
  • Each first electrical displacement track 5a comprises a pair of substantially parallel and coplanar first electrodes 51a, 52a disposed at the first surface 3a for the formation by liquid dielectrophoresis under the effect of the electrical activation of a fluid finger from the reservoir 9a of corresponding liquid of interest.
  • the fluidic finger breaks by capillarity under the effect of the deactivation, generating at least one drop 23a.
  • the lower substrate 211b has at least one second electrical displacement track 5b disposed at the second surface.
  • the first and second electric displacement tracks define between them at least one crossing zone 7.
  • Each second electrical displacement track 5b comprises second electrodes 251b, 252b for the displacement of at least one drop 23a formed by the upper substrate 11a in a crossing zone 7.
  • the second electrodes 251b, 252b may be square electrodes configured to move the drop (s) by EWOD under the effect of a suitable electrical activation of the second electrodes 251b, 252b and a second electrode. grounding the pair of first electrodes 51a, 52a knowing that the (the) drops has (s) a sufficient thickness to be in contact with the first and second electrodes.
  • the spacing distance H between the first surface 3a and the second surface 3b, as well as the dimensions of the first displacement electrodes are adapted so that the maximum thickness of the fluidic finger is less than the distance H and that the drop has a thickness greater than this distance H.
  • the radius of a fluidic finger is R
  • the radius of a drop is of the order of 2R.
  • the height H separating the first and second surfaces satisfies the following inequality: R ⁇ H ⁇ 2 ⁇ R .
  • the first electrodes 51a, 52a may have a width w of the order of 20 .mu.m and be spaced from each other by a distance g of the order of 20 .mu.m.
  • the drops are formed by the upper substrate 11a and thus the lower substrate 111b does not have a liquid reservoir of interest.
  • the second embodiment according to the invention makes it possible to transfer drops of liquid from the first surface 3a to the second surface 113b and to manipulate or then move this liquid through the displacement electrodes arranged at the second surface.
  • the device comprises optical, electromechanical, electrophysiological, or other detection means, made as described with reference to the first embodiment.
  • the second electrodes may be configured for example to bring the drops to the detection surfaces.
  • the second surface may be functionalized, and / or have a temperature different from the first surface, and / or comprise biological components for carrying out various biological or chemical protocols.

Abstract

L'invention porte sur un dispositif et un procédé microfluidique de manipulation d'au moins une goutte. Le dispositif comprend des première et seconde surfaces microfluidiques (3a, 3b) parallèles et espacées l'une de l'autre d'une distance de séparation (H), au moins une première piste (5a) électrique de déplacement disposée au niveau de ladite première surface (3a), et au moins une seconde piste (5b) électrique de déplacement disposée au niveau de ladite seconde surface (3b). L'une au moins desdites première et seconde pistes est configurée pour former un doigt fluidique respectif le long de ladite piste, ledit doigt fluidique se rompant par capillarité, en générant au moins une goutte respective. Les première et seconde pistes sont configurées pour que ladite distance de séparation entre lesdites première et seconde surfaces soit d'une part, supérieure à l'épaisseur fluidique formée par chaque doigt fluidique et, d'autre part, inférieure à l'épaisseur fluidique formée par chaque goutte.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention concerne le domaine général de la formation et manipulation des gouttes dans un dispositif microfluidique.
    • ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
  • Dans de nombreux domaines, on cherche à former et manipuler des gouttes pour analyser des échantillons liquides de petit volume de la manière la plus simple et le moins intrusive possible.
  • Ce peut être le cas, par exemple, pour établir des interactions biologiques et/ou chimiques entre deux solutions pour une analyse chimique, un diagnostic biologique ou médical, ou encore dans le domaine du génie génétique ou agro-alimentaire.
  • A titre illustratif, on peut citer les biopuces qui constituent, dans le domaine de la biologie moléculaire, des microsystèmes 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 peut ensuite chercher à obtenir les paramètres cinétiques ou les constantes d'équilibres associés à ces interactions chimiques ou biologiques.
  • D'une manière générale, la manipulation des gouttes ou flux fluidiques peut être effectuée à l'aide des moyens hydrodynamiques, électriques ou magnétiques. Plusieurs techniques de manipulation peuvent être utilisées, telles que, par exemple, la manipulation par effet d'électromouillage et celle par effet de diélectrophorèse.
  • L'électromouillage EWOD (Electrowetting on Dielectric) permet de faire de multiples opérations fluidiques élémentaires. Cette technique utilise en général, un tapis d'électrodes que l'on commute de manière séquentielle selon un pilotage adéquat pour faire avancer de proche en proche une goutte sur une surface. Le déplacement d'une goutte par EWOD peut être réalisé en utilisant une différence de potentiel entre une électrode sur un capot et une autre électrode sur un substrat. La goutte est ainsi directement en contact avec les deux plans. Il est aussi possible de déplacer une goutte d'une électrode à une autre en appliquant une différence de potentiel entre l'électrode d'arrivée et le fluide environnant. Cependant, une goutte possède son propre volume dès sa formation et soit elle ne rentre jamais en contact avec le plan en vis-à-vis soit elle est toujours en contact avec le plan en vis-à-vis. Cette caractéristique n'est pas contrôlable. De même, cette technique ne permet pas de former des gouttes en vis-à-vis à partir des différents flux de liquides.
  • La méthode de diélectrophorèse LDEP est utilisée pour la formation de gouttes sur une surface. Cependant, à ce jour cette technique a été appliquée dans une configuration ouverte (i.e. sans capot) ou en fermé avec des configurations identiques au déplacement de gouttes par EWOD (i.e. avec une différence de potentiel entre un réseau d'électrodes sur une surface et une électrode représentant la masse sur le capot). Dans cette configuration le liquide est en contact avec le substrat et le capot.
  • Il existe plusieurs travaux mentionnant des mécanismes de manipulation de liquides sur une surface par diélectrophrèse liquide.
  • La demande de brevet WO2006025982 ainsi que l'article de Ahmed et Jones intitulé « Optimized liquid DEP droplet dispensing », J. Micromech. Microeng., 17 (2007), 1052-1058 décrivent un dispositif de formation de gouttes par LDEP dans une configuration ouverte sans capot. Ce dispositif consiste en une plateforme microfluidique composée d'un substrat et de deux électrodes coplanaires recouvertes d'un matériau diélectrique. Un signal AC est appliqué entre les deux électrodes qui a pour conséquence le déplacement d'un liquide sur la plateforme.
  • Une autre demande de brevet US20110056834 décrit un dispositif microfluidique fermé comportant deux plateformes LDEP similaires en vis-à-vis et espacées l'une de l'autre. La première plateforme (ou substrat) comporte des électrodes découplées entre elles et activées indépendamment par un signal AC et la seconde plateforme (ou capot) comporte une électrode jouant le rôle de masse. Cette configuration permet le déplacement des flux de liquide dans plusieurs directions par effet LDEP. Cependant, le liquide a besoin de toucher à la fois les électrodes du capot et du substrat pour pouvoir être déplacé. Ainsi, ce dispositif ne permet pas le transfert d'un liquide d'une surface à une autre ni la formation et la manipulation précise et reproductible de gouttes.
  • L'objet de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif et un procédé plus efficaces et plus précis pour la formation et la manipulation de gouttes.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • L'invention a pour objet un dispositif microfluidique de manipulation d'une goutte, comportant :
    • des première et seconde surfaces microfluidiques parallèles et espacées l'une de l'autre d'une distance de séparation,
    • au moins une première piste électrique de déplacement disposée au niveau de ladite première surface,
    • au moins une seconde piste électrique de déplacement disposée au niveau de ladite seconde surface, lesdites première et seconde pistes définissant entre elles au moins une zone de croisement,
    • l'une au moins desdites première et seconde pistes étant configurée(s) pour former par diélectrophorèse liquide, sous l'effet d'une activation électrique, un doigt fluidique respectif le long de ladite piste à partir d'un réservoir correspondant de liquide d'intérêt disposé de manière à pouvoir mettre en contact ledit liquide avec la surface associée, ledit doigt fluidique se rompant par capillarité sous l'effet d'une désactivation électrique, en générant au moins une goutte respective à partir dudit doigt fluidique dans ladite au moins une zone de croisement,
    • les première et seconde pistes étant configurées pour que ladite distance de séparation entre lesdites première et seconde surfaces soit d'une part, supérieure à l'épaisseur fluidique formée par chaque doigt fluidique et, d'autre part, inférieure à l'épaisseur fluidique formée par chaque goutte.
  • Ainsi, un doigt fluidique formé sur l'une des première et seconde pistes ne sera pas impacté par l'autre desdites première et seconde pistes tout en permettant l'interaction de chacune des première et seconde pistes avec la goutte formée sur l'une ou l'autre des première et seconde pistes. Ceci permet de former et de manipuler des gouttes sur une ou plusieurs localisations et sur une ou deux surfaces pour de nombreuses applications nécessitant des transferts de gouttes d'un plan vers un autre ou de mélange des gouttes pour des interactions biologiques et/ou chimiques entre différentes solutions de façon simultanée.
  • Lorsque les deux fluides sont miscibles, un mélange est obtenu lors de la mise en contact des deux gouttes formées en vis-à-vis. Mais par mélange, on entend également une association de liquides immiscibles, le mélange étant alors diphasique, c'est-à-dire comprend deux phases liquides immiscibles, une phase liquide étant par exemple encapsulée dans une deuxième phase liquide.
  • Selon un premier mode de réalisation de la présente invention, ladite première piste électrique de déplacement comportant une paire de premières électrodes sensiblement parallèles et coplanaires disposées au niveau de ladite première surface pour la formation sous l'effet de l'activation électrique, d'un premier doigt fluidique à partir d'un premier réservoir d'un premier liquide d'intérêt, ladite seconde piste électrique de déplacement comportant une paire de secondes électrodes sensiblement parallèles et coplanaires disposées au niveau de ladite seconde surface pour la formation sous l'effet de l'activation électrique, d'un second doigt fluidique à partir d'un second réservoir d'un second liquide d'intérêt, lesdits premier et second doigts fluidiques se rompant par capillarité sous l'effet de la désactivation, en générant au moins une première goutte et au moins une seconde goutte respectives qui se mélangent dans ladite au moins une zone de croisement pour former au moins une goutte globale.
  • Ceci permet de faire croiser des premier et second doigts fluidiques, sans qu'ils n'entrent en contact, et former des gouttes issues des deux surfaces différentes qui vont, elles, entrer en contact. Ainsi, ce dispositif se prête idéalement pour manipuler des gouttes afin de réaliser différentes applications nécessitant par exemple des interactions ou réactions entre deux volumes de liquides.
  • Avantageusement, ladite paire de premières électrodes comportant une pluralité de premières zones de formation de goutte, de sorte qu'à la désactivation de ladite paire de premières électrodes, le premier doigt fluidique se rompt en une pluralité de premières gouttes situées chacune sur une desdites premières zones de formation de goutte.
  • Ceci permet de former des gouttes de manière reproductible à des endroits stratégiques de la première surface.
  • Avantageusement, ladite paire de secondes électrodes comportant une pluralité de secondes zones de formation de goutte disposées chacune en vis-à-vis d'une première zone de formation de goutte distincte formant ainsi une pluralité de zones de croisement, de sorte qu'à la désactivation de ladite paire de secondes électrodes, le second doigt fluidique se rompt en une pluralité de secondes gouttes situées chacune sur une desdites secondes zones de formation de goutte, chaque seconde goutte venant au contact de la première goutte correspondante pour former une goutte globale dans la zone de croisement correspondante.
  • Ceci permet de former des mélanges entre les gouttes de la première surface et celles de la seconde surface de manière entièrement reproductible et à des endroits bien définis.
  • Selon une configuration particulière du premier mode de réalisation, ladite première surface comporte un premier réseau de m paires de premières électrodes comprenant chacune une suite de n premières zones de formation de goutte formant ainsi un premier ensemble de nm premières zones de formation de goutte, ladite seconde surface comportant un second réseau de n paires de secondes électrodes comprenant chacune une suite de m secondes zones de formation de goutte formant ainsi un second ensemble de nm secondes zones de formation de goutte, lesdites nm premières zones de formation de goutte croisant lesdites nm secondes zones de formation de goutte pour former un ensemble de nm zones de croisement.
  • Ceci permet de faire interagir un très grand nombre de gouttes différentes de manière simultanée et automatisée à partir d'au moins deux solutions.
  • Avantageusement, ladite paire de secondes électrodes est configurée pour déplacer au moins une seconde goutte et/ou au moins une goutte globale située le long de ladite paire de secondes électrodes.
  • Ceci permet par exemple d'utiliser des secondes électrodes ne comportant pas de zones de formation de gouttes et de déplacer une seconde goutte pour venir aux contact d'une première goutte correspondante située dans une première zone de formation de goutte de ladite paire de premières électrodes afin de former une goutte globale correspondante. Ceci permet aussi de déplacer les secondes gouttes et/ou les gouttes globales pour divers protocoles chimiques et/ou biologiques.
  • Selon un deuxième mode de réalisation, ladite première piste électrique de déplacement comporte une paire de premières électrodes sensiblement parallèles et coplanaires disposées au niveau de ladite première surface pour la formation par diélectrophorèse liquide sous l'effet de l'activation électrique, d'un doigt fluidique à partir d'un réservoir de liquide d'intérêt, ledit doigt fluidique se rompant par capillarité sous l'effet de la désactivation, en générant au moins une goutte, ladite seconde piste électrique de déplacement comportant des secondes électrodes pour le déplacement de ladite au moins une goutte sous l'effet d'une activation électrique desdites secondes électrodes.
  • Ceci permet de former des gouttes sur une première surface, de les transférer sur une autre surface et de les déplacer ensuite sur cette deuxième surface afin de réaliser divers protocoles pour différentes applications biologiques et/ou chimiques.
  • Avantageusement, le dispositif comporte des moyens de détection d'un composant d'une goutte formée au niveau de ladite au moins une zone de croisement.
  • Ceci permet d'analyser les propriétés chimiques et/ou biologiques des liquides.
  • Selon une première variante, lesdits moyens de détection sont des moyens optiques comprenant une source de lumière pour émettre une lumière sur ladite au moins une goutte et des moyens de réception pour recevoir la lumière diffusée par ladite au moins une goutte.
  • Ceci permet de manipuler et d'analyser des échantillons en un temps réduit de manière simultanée et précise.
  • Selon une autre variante, lesdits moyens de détection sont des moyens électromécaniques comprenant au moins un oscillateur plan dont une face forme une surface de détection appartenant à l'une ou l'autre desdites première et seconde surfaces.
  • Ceci permet d'avoir un dispositif simple, compact, et autonome pour à la fois la manipulation et l'analyse des échantillons de manière efficace.
  • Avantageusement, ladite surface de détection présente une zone hydrophile destinée à être recouverte par ladite au moins une goutte.
  • Ceci permet de placer le liquide sur les endroits les plus sensibles de la surface de détection pour une détection optimale.
  • Avantageusement, chacune desdites premières et secondes électrodes est recouverte d'une couche diélectrique.
  • Ceci permet d'éviter le contact direct entre le liquide et les électrodes pour prévenir l'électrolyse du liquide.
  • L'invention porte également sur un procédé de manipulation d'une goutte, comportant les étapes suivantes :
    • mise en contact d'au moins un premier réservoir comprenant un premier liquide d'intérêt avec au moins une première piste électrique de déplacement correspondante disposée au niveau d'une première surface microfluidique,
    • mise en contact d'au moins un second réservoir comprenant un second liquide d'intérêt avec au moins une seconde piste électrique de déplacement correspondante disposée au niveau d'une seconde surface microfluidique, lesdites première et seconde surfaces étant parallèles et espacées l'une de l'autre d'une distance de séparation, lesdites au moins une première et au moins une seconde pistes de déplacement définissant entre elles au moins une zone de croisement,
    • activation de ladite au moins une première piste de déplacement, de façon à former le long de ladite première piste un premier doigt fluidique correspondant,
    • activation de ladite au moins une seconde piste de déplacement, de façon à former le long de ladite seconde piste un second doigt fluidique correspondant,
    • désactivation de ladite au moins une première piste de déplacement, de sorte que le premier doigt fluidique correspondant se rompt par capillarité en générant au moins une première goutte située dans ladite au moins une zone de croisement,
    • désactivation de ladite au moins une seconde piste de déplacement, de sorte que le second doigt fluidique se rompt par capillarité en générant au moins une seconde goutte située dans ladite au moins une zone de croisement, ladite distance de séparation entre lesdites première et seconde surfaces étant d'une part, supérieure à la somme des épaisseurs desdits premier et second doigts fluidiques, et, d'autre part, inférieure à la somme des épaisseurs desdites première et seconde gouttes, de sorte que lesdites première et seconde gouttes se mélangent dans ladite au moins une zone de croisement pour former au moins une goutte globale.
  • Avantageusement, le procédé comporte les étapes suivantes :
    • mise en contact d'un ensemble de m premiers réservoirs comprenant m premiers liquides d'intérêt avec un réseau de m premières pistes correspondantes comprenant chacune une suite de n premières zones de formation de goutte formant ainsi un premier ensemble de nm premières zones de formation de goutte,
    • mise en contact d'un ensemble de n seconds réservoirs comprenant n seconds liquides d'intérêt avec un réseau de n secondes pistes correspondantes comprenant chacune une suite de m secondes zones de formation de goutte formant ainsi un second ensemble de nm secondes zones de formation de goutte, lesdites nm premières zones de formation de goutte croisant respectivement lesdites nm secondes zones de formation de goutte pour former un ensemble de nm zones de croisement correspondantes,
    • activation dudit réseau de m premières pistes, de façon à former un réseau de m premiers doigts fluidiques correspondants,
    • activation dudit réseau de n secondes pistes, de façon à former un réseau de n seconds doigts fluidiques correspondants,
    • désactivation dudit réseau de m premières pistes, de sorte que les m premiers doigts fluidiques correspondants se rompent par capillarité en générant un ensemble de nm premières gouttes dans ledit premier ensemble de nm premières zones de formation de goutte,
    • désactivation dudit réseau de n secondes pistes, de sorte que les n seconds doigts fluidiques correspondants se rompent par capillarité en générant un ensemble de nm secondes gouttes dans ledit second ensemble de nm secondes zones de formation de goutte, les nm premières gouttes se mélangeant avec les nm secondes gouttes correspondantes pour former un ensemble de nm gouttes globales dans les nm zones de croisement correspondantes.
  • Avantageusement, lesdits m premiers réservoirs comprennent respectivement m premiers échantillons de propriétés différentes d'une première solution et lesdits n seconds réservoirs comprennent respectivement n seconds échantillons de propriétés différentes d'une seconde solution formant ainsi nm gouttes globales différentes.
  • Avantageusement, le procédé peut comporter une détection par des moyens optiques, électromécaniques, ou électrophysiologiques des différentes interactions entre lesdites première et seconde solutions.
  • L'invention vise également un procédé de manipulation d'une goutte, comportant les étapes suivantes :
    • mise en contact d'au moins un réservoir comprenant un liquide d'intérêt avec au moins une première piste électrique de déplacement correspondante disposée au niveau d'une première surface microfluidique, ladite première surface étant parallèle à une seconde surface microfluidique et espacée de celle-ci d'une distance de séparation, ladite seconde surface comprenant au moins une seconde piste électrique de déplacement définissant au moins une zone de croisement avec ladite au moins une première piste,
    • activation de ladite au moins une première piste de déplacement, de façon à former le long de ladite première piste un doigt fluidique correspondant,
    • désactivation de ladite au moins une première piste de déplacement, de sorte que le doigt fluidique correspondant se rompt par capillarité en générant au moins une goutte située dans ladite au moins une zone de croisement, ladite distance de séparation entre lesdites première et seconde surfaces étant d'une part, supérieure à l'épaisseur dudit doigt fluidique et, d'autre part, inférieure à l'épaisseur de ladite au moins une goutte, et
    • activation de ladite au moins une seconde piste électrique de déplacement, de façon à déplacer ladite au moins une goutte.
  • 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 :
    • La Fig. 1 illustre de manière schématique un dispositif microfluidique de manipulation d'une goutte, selon l'invention ;
    • La Fig. 2 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de manipulation selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention ;
    • Les Figs. 3A et 3B sont des vues schématiques de dessous du substrat supérieur du dispositif représenté sur la Fig. 2 ;
    • Les Figs. 3C et 3D sont des vues schématiques de dessus du substrat inférieur du dispositif représenté sur la Fig. 2 ;
    • La Fig. 3E est une vue détaillée d'une partie des électrodes de déplacement du dispositif représenté sur la Fig. 2 ;
    • Les Fig. 4A à 4C sont des vues schématiques en coupe longitudinale du dispositif représenté sur la Fig. 2, illustrant la formation des gouttes de liquide ;
    • Fig. 5 est une vue schématique en perspective de la zone de croisement du dispositif de la Fig. 2 ;
    • Les Figs. 6A à 6E illustrent de manière schématique un dispositif de manipulation des gouttes, selon une configuration particulière du premier mode de réalisation préféré de l'invention ;
    • Les Figs. 7A et 7B illustrent de manière schématique un dispositif de manipulation selon la configuration de la Fig. 6A, comportant des moyens de détection optiques ;
    • Les Figs. 8A et 8B illustrent de manière schématique un dispositif de manipulation selon la Fig. 6A, comportant des moyens de détection électromécaniques ; et
    • La Fig. 9 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de manipulation selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
  • La Fig. 1 illustre de manière schématique un dispositif microfluidique de manipulation 1 d'une goutte, selon l'invention.
  • Le dispositif microfluidique de manipulation 1 comprend une première surface 3a microfluidique et une seconde surface 3b microfluidique. Les première et secondes surfaces 3a, 3b sont parallèles entre elles et espacées l'une de l'autre d'une distance de séparation H.
  • Dans toute la description qui va suivre, par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (X,Y,Z) présenté sur la Fig. 1. Le plan (X,Y) est parallèle auxdites première et seconde surfaces 3a, 3b et la direction Z est orientée à partir de la seconde surface 3b vers la première surface 3a.
  • Au moins une première piste 5a électrique de déplacement est disposée au niveau de la première surface 3a (ici, une seule première piste est illustrée).
  • De même, au moins une seconde piste 5b électrique de déplacement est disposée au niveau de la seconde surface 3b (ici, une seule seconde piste est illustrée).
  • Par piste électrique, on entend soit une électrode continue, s'étendant selon une direction donnée, soit une pluralité d'électrodes élémentaires adjacentes. Dans ce dernier cas, chaque électrode est séparée de sa voisine par un faible espacement, cet espacement étant typiquement de 1 µm pour une largeur de l'électrode de 10 µm, la largeur étant la dimension selon une direction perpendiculaire à celle de l'espacement.
  • Les première et seconde pistes 5a, 5b électriques de déplacement définissent entre elles au moins une zone de croisement 7 en vis-à-vis, sans contact. Autrement dit, elles ne sont pas en contact l'une de l'autre.
  • En effet, les première et seconde pistes 5a, 5b sont agencées de manière à ce qu'il existe au moins une droite (selon la direction Z) orthogonale aux première et seconde surfaces 3a, 3b interceptant la première piste 5a en un premier point 7a et la seconde piste 5b en un second point 7b de sorte que l'espace formé entre ces deux points définisse la zone de croisement 7. La distance entre les premier et second points 7a, 7b est bien entendu, égale à la distance de séparation H.
  • On notera que les directions dans le plan (X,Y) des première et seconde pistes 5a, 5b peuvent être sécantes selon un angle quelconque formant une seule zone de croisement 7 (Fig. 1) ou bien, confondues formant alors une infinité de zones de croisement.
  • L'une au moins des première et seconde pistes 5a, 5b est configurée pour former par diélectrophorèse liquide, sous l'effet d'une activation électrique, un doigt fluidique respectif le long de la piste.
  • Par diélectrophorèse liquide (LDEP, pour Liquid Dielectrophoresis), on entend l'application d'une force électrique sur un liquide électriquement isolant ou conducteur, la force étant générée par un champ électrique oscillant non uniforme. La formation d'un doigt fluidique par diélectrophorèse liquide est notamment décrite dans l'article de Jones intitulé « Liquid dielectrophoresis on the microscale », J. Electrostat, 51-52 (2001), 290-299. Lorsque le liquide est situé dans un champ électrique, les molécules du liquide acquièrent un dipôle non nul et se polarisent. Dans la mesure où le champ est non uniforme, une force de Coulomb apparaît et induit le déplacement des molécules du liquide, et ainsi de tout le liquide, vers un maximum de champ.
  • Le doigt fluidique est formé le long de la piste 5a, 5b respective à partir d'un réservoir 9a, 9b, de liquide d'intérêt correspondant disposé de manière à pouvoir mettre en contact le liquide avec la surface associée 3a, 3b. La Fig. 1 montre un premier réservoir 9a disposé au niveau de la première surface 5a et éventuellement un second réservoir (représenté en pointillé) 9b disposé au niveau de la seconde surface 3b.
  • Il est à noter que, lorsque la commande électrique est arrêtée, le doigt fluidique présente une forme instable. Une instabilité capillaire se développe alors rapidement et provoque la rupture du doigt en une ou plusieurs goutte(s), ce qui permet d'abaisser l'énergie de surface du liquide.
  • Ainsi, chaque doigt fluidique formé sur la première surface 3a et/ou la seconde surface 3b se rompt par capillarité sous l'effet d'une désactivation électrique, en générant une(des) goutte(s) respective(s) dans la(les) zone(s) de croisement 7.
  • Par ailleurs, les première et seconde pistes 5a, 5b sont configurées pour que la distance de séparation H entre les première et seconde surfaces 3a, 3b soit d'une part, supérieure à l'épaisseur fluidique formée par chaque doigt fluidique et, d'autre part, inférieure à l'épaisseur fluidique formée par chaque goutte.
  • Ainsi, lorsqu'une seule des pistes 5a, 5b est configurée pour former un doigt fluidique, la distance de séparation H est telle que le doigt fluidique ne touche pas l'autre piste tandis qu'au moins une des gouttes générées par ce doigt touche cette autre piste.
  • Par ailleurs, lorsque les première et seconde pistes 5a, 5b sont configurées pour former des premier et second doigts fluidiques respectivement, la distance de séparation H est telle que les doigts fluidiques ne se touchent pas tandis qu'au moins une des gouttes générées par le premier doigt touche une autre goutte parmi les gouttes générées par le second doigt.
  • Sur la Fig. 2 est représenté un dispositif microfluidique de manipulation d'une goutte selon un premier mode de réalisation de l'invention.
  • Le dispositif de manipulation 101 comprend un substrat supérieur 11a formant capot et un substrat inférieur 11b, disposés en regard l'un de l'autre. Les termes « inférieur » et « supérieur » sont ici à comprendre en termes d'orientation suivant la direction Z du repère orthonormé (X,Y,Z).
  • Le capot 11a présente une face inférieure formée d'une couche diélectrique 13a. La surface libre de la couche diélectrique 13a correspond à la première surface 3a.
  • Le substrat inférieur 11b présente une face supérieure formée d'une couche diélectrique 13b. La surface libre de la couche diélectrique 13b correspond à la seconde surface 3b.
  • Le matériau du substrat inférieur 11b ou supérieur 11a peut être choisi parmi les matériaux suivants : le verre, pyrex ou un matériau organique tel que le polycarbonate ou le PEEK, le silicium monocristallin, le silicium polycristallin, le diamant, le nitrure de silicium, l'oxyde de silicium, le nickel, le tungstène, voire le platine. Le substrat supérieur 11a est avantageusement réalisé en un matériau transparent. L'épaisseur du substrat supérieur 11a ou inférieur 11b peut être comprise entre quelques dizaines de microns et quelques millimètres.
  • Le dispositif 101 comporte des murs 15 de séparation de hauteur H pour assurer une distance de séparation H régulière et précise entre les première et seconde surfaces 3a, 3b des deux substrats 11a et 11b. Le matériau des murs 15 de séparation peut être, par exemple, du polymère, de la résine, des films sec, ou du silicium.
  • Le substrat supérieur 11a comporte un premier réservoir 9a formé par exemple, par un premier orifice 9a traversant et débouchant au niveau de la première surface 3a. Le premier orifice 9a peut être rempli d'un premier liquide d'intérêt 119a.
  • Le substrat inférieur 11b comporte un second orifice 9b traversant et débouchant au niveau de la seconde surface 3b. L'orifice 9b peut être rempli d'un second liquide d'intérêt 119b, formant ainsi un second réservoir 9b de liquide d'intérêt 119b.
  • Le liquide présente une quelconque conductivité électrique. Avantageusement pour l'actionnement du liquide par LDEP et la mise en place du signal électrique non uniforme cette conductivité est inférieure à 100 mS.m-1, voire inférieure à 1 mS.m-1.
  • Le dispositif de manipulation 101 comprend des moyens électriques de formation des doigts fluidiques par diélectrophorèse liquide. Plus particulièrement, les substrats inférieur et supérieur 11a, 11b comprennent respectivement des première et seconde pistes 5a, 5b électriques de déplacement pour former des doigts fluidiques par diélectrophorèse liquide sur respectivement les première et seconde surfaces 3a, 3b. La direction de la première piste 5a est représentée, à titre d'exemple, parallèle avec celle de la seconde piste 5b formant ainsi une pluralité de zones de croisement 7.
  • On notera que les moyens électriques sont similaires à ceux présentés dans l'article de Ahmed et Jones intitulé « Optimized liquid DEP droplet dispensing », J. Micromech. Microeng., 17 (2007), 1052-1058.
  • Ainsi, comme le montre la Fig. 3A, la première piste 5a électrique de déplacement comporte une paire de premières électrodes 51a, 52a de déplacement disposées au niveau de la première surface 3a. Les premières électrodes 51a et 52a sont parallèles entre elles, coplanaires et sensiblement rectilignes.
  • De même, comme le montre la figure 3C, la seconde piste 5b électrique de déplacement comporte une paire de secondes électrodes 51b, 52b de déplacement disposées au niveau de la seconde surface 3b. Les secondes électrodes 51b et 52b sont parallèles entre elles, coplanaires et sensiblement rectilignes.
  • Les premières et secondes électrodes de déplacement (51a, 52a 51b, 52b) sont des empreintes réalisées en un matériau métallique, par exemple, en or ou en aluminium.
  • La première couche diélectrique 13a qui forme la première surface 3a ou la seconde couche diélectrique 13b qui forme la seconde surface 3b peut être, par exemple, un oxyde SiO2, du nitrure (SiN, Si3N4), des résines, des films sec, du SiOC, des polymères hydrophobes type Teflon (marque déposée - tétra-fluoroéthylène) ou autres fluoropolymères, un polymère de poly-p-xylylène (parylène) un oxyde High-k déposé par procédé dit ALD (HfO2, Al2O3, ZrO2, SrTiO3, BaTiO3, Ba(1-x)SrxTiO3 (BST)...), et présenter une épaisseur comprise entre quelques nm (par exemple 10 nm ou 25 nm) et quelques microns (par exemple 5 µm). Elle permet d'éviter l'électrolyse du liquide si celui-ci était en contact direct avec les électrodes de déplacement (51a, 52a 51b, 52b).
  • Au regard de l'espace de séparation H, les dimensions des premières et secondes électrodes 51b, 52b (i.e. longueur et largeur de chaque électrode, et écart entre chaque paire d'électrodes) sont choisies de sorte que d'une part, la somme d'une épaisseur maximale d'un premier doigt à former sur la première surface 3a et d'une épaisseur maximale d'un second doigt à former sur la seconde 3b surface soit inférieure à la distance de séparation H et, d'autre part, la somme d'un rayon d'une première goutte à former sur la première surface 3a et d'un rayon d'une seconde goutte à former sur la seconde surface soit supérieur à la distance de séparation H.
  • Ainsi, un premier doigt fluidique 19a formé sur la première surface 3a ne rentre pas en contact avec un second doigt fluidique 19b formé sur la seconde surface 3b (voir Figs. 6B et 6C). En revanche, lorsqu'une première goutte sur la première surface 3a et une seconde goutte sur la seconde surface 3b se forment dans une même zone de croisement (i.e. de même coordonnées (x, y)), celles-ci rentre en contact (voir Figs. 5, 6D et 6E).
  • Les premières électrodes de déplacement 51a, 52a sont connectées à un premier générateur de tension 21a (Fig. 3A) permettant d'appliquer une première différence de potentiel entre ces électrodes 51a, 52a. De même, les secondes électrodes de déplacement 51b, 52b sont connectées à un second générateur de tension 21b (Fig. 3C) permettant d'appliquer une seconde différence de potentiel entre ces électrodes 51b, 52b. Le premier générateur et le second générateur peuvent être confondus : on dispose alors d'un unique générateur, pouvant appliquer différents signaux à chaque paire d'électrode. Dans ce dernier cas, les deux paires d'électrodes (51a-51b et 52a-52b) peuvent également être alimentées par le même signal.
  • La première ou la seconde tension appliquée est une tension alternative dont la fréquence est comprise entre, par exemple, quelques hertz (pour les liquides les moins conducteurs) et quelques mégahertz, par exemple entre 10 kHz et 10 MHz, et d'une tension préférentielle de quelques volts RMS à quelques centaines de volts RMS. Lorsque le liquide est très isolant, avec par exemple une conductivité inférieure à 10-9 S.m-1, la fréquence est de l'ordre du Hz.
  • Ainsi, sous l'effet de l'activation électrique des premières électrodes 51a, 52a par le premier générateur 21a, un premier doigt fluidique 19a se forme sur la paire de premières électrodes 51a, 52a à partir du premier réservoir 9a de premier liquide d'intérêt 119a (Fig. 3A).
  • De même, sous l'effet de l'activation électrique des secondes électrodes 51b, 52b par le second générateur 21b, un second doigt fluidique 19b se forme sur la paire des secondes électrodes 51b, 52b à partir du second réservoir 9b de second liquide d'intérêt 119b (Fig. 3C). Avantageusement, les activations électriques se font de façon simultanée sur les deux surfaces. Et encore plus avantageusement, la désactivation électrique se fait de façon simultanée sur les deux surfaces.
  • Par ailleurs, comme le montre les Figs. 3B et 3D, sous l'effet de la désactivation électrique (circuits ouverts) des premières 51a, 52a et secondes 51b, 52b électrodes, les premier et second doigts fluidiques 19a, 19b se rompent par capillarité, en générant au moins une première goutte 23a et au moins une seconde goutte 23b respectives qui se mélangent dans au moins une zone de croisement 7 pour former au moins une goutte globale 25 (Fig. 2).
  • Avantageusement, comme le montre la Fig. 3E, la paire des premières électrodes de déplacement 51a, 52a (ou respectivement la paire des secondes électrodes de déplacement 51b, 52b) comporte une pluralité de premières zones de formation de goutte (ou respectivement une pluralité de secondes zones de formation de goutte).
  • Plus particulièrement, la Fig. 3E montre une paire des électrodes de déplacement 51, 52 (représentant des premières ou des secondes électrodes de déplacement) comportant une pluralité de zones de formation de goutte 53, de sorte qu'à la désactivation des électrodes 51, 52, le doigt fluidique se rompt en une pluralité de gouttes situées chacune sur une de ces zones de formation de goutte 53.
  • En effet, chaque électrode 51, 52 comporte une bordure intérieure 54, 55 et une bordure extérieure 56, 57. Les bordures intérieures 54, 55 sont disposées en regard l'une de l'autre.
  • Avantageusement, les zones de formation de goutte 53 sont formées de protubérances planes, ou bosses planes 531 et 532, qui s'étendent vers l'extérieur de chaque électrode de déplacement 51, 52. Les bosses 531 et 532 sont une partie des électrodes 51, 52 et sont coplanaires avec celles-ci.
  • Les bosses 531 et 532 sont ici disposées de manière symétrique l'une par rapport à l'autre et appartenant chacune à une électrode de déplacement 51, 52 différente.
  • Ainsi, les électrodes 51, 52 de déplacement comportent des parties rectilignes 58 et des zones de formation de goutte 53 reliées entre elles par lesdites parties rectilignes 58.
  • Les bordures intérieures 54, 55 des électrodes 51, 52 de déplacement sont espacées l'une de l'autre d'une distance g. Les parties rectilignes 58 présentent une largeur notée w et par conséquent, la largeur (i.e. le rayon dans le plan (Y, Z)) du doigt fluidique est donnée par R=w+g/2. Chaque bosse 531 et 532 est un demi-disque de rayon Rbosse dans le plan (X, Y) et dont le centre est situé dans la continuité de la bordure extérieure 56, 57 des parties rectilignes 58. Comme il est détaillé plus loin, le rayon Rbosse d'une bosse est de l'ordre du rayon R du doigt fluidique.
  • On suppose que la section du doigt fluidique dans le plan vertical (Y, Z) est semi-circulaire, et que sa surface est invariable le long des électrodes. Lorsque la largeur w des électrodes est du même ordre de grandeur que leur espacement g, le doigt fluidique en tout point du trajet recouvre une zone inscrite entre les deux extrémités latérales des électrodes. On note 2R la distance séparant ces deux extrémités rectilignes (i.e. les bordures extérieures 56, 57 des parties rectilignes 58 des électrodes de déplacement 51, 52).
  • De préférence, les zones de formation de goutte 53 sont disposées à égale distance les unes des autres, de préférence entre 8R et 10R, et de préférence à la distance 9,016R.
  • Comme il est détaillé plus loin, la distance d'espacement entre les zones de formation de goutte 53 est sensiblement égale à la longueur d'onde la plus instable λmax du doigt fluidique qui s'étend le long des électrodes de déplacement 51, 52.
  • Avantageusement encore, la paire de premières électrodes 51a, 52a comporte une pluralité de premières zones de formation de goutte 53 et la paire de secondes électrodes 51b, 52b comporte une pluralité de secondes zones de formation de goutte 53 (voir Fig. 5).
  • A la désactivation des premières électrodes 51a, 52a, le premier doigt fluidique 19a se rompt en une pluralité de premières gouttes 23a situées chacune sur une de ces premières zones de formation de goutte 53.
  • De même, à la désactivation des secondes électrodes 51b, 52b, le second doigt fluidique 19b se rompt en une pluralité de secondes gouttes 23b situées chacune sur une de ces secondes zones de formation de goutte 53.
  • Les secondes zones de formation de goutte 53 sont disposées chacune en vis-à-vis d'une première zone de formation de goutte 53 distincte formant ainsi une pluralité de zones de croisement 7 de sorte qu'à la désactivation des première 51a, 52a et secondes 51b, 52b électrodes, chaque seconde goutte 23b vient au contact de la première goutte 23a correspondante pour former une goutte globale 25 dans la zone de croisement 7 correspondante. Ceci permet de former des mélanges entièrement reproductibles entre les gouttes de la première surface 3a et celles de la seconde surface 3b. Par reproductible, on entend que le volume du mélange et sa localisation sont maîtrisés.
  • Le fonctionnement du dispositif de manipulation 101 selon par exemple la configuration de la Fig. 3E (i.e. avec des électrodes de déplacement comportant une pluralité de zones de formation de goutte) est le suivant, en référence aux Figs. 4A à 4C.
  • Selon une première étape (Fig. 4A), on met le premier liquide d'intérêt 119a au contact de la première surface 3a, à partir du premier réservoir 9a.
  • De même, on met le second liquide d'intérêt 119b au contact de la seconde surface 3b, à partir du second réservoir 9b.
  • On génère (Fig. 4B) un premier champ électrique oscillant et non uniforme, sous l'effet d'une première commande électrique, en appliquant une tension adaptée aux deux premières électrodes de déplacement 51a, 52a.
  • Le premier doigt fluidique 19a s'étend le long des deux premières électrodes de déplacement 51a, 52a.
  • Le premier doigt fluidique 19a recouvre sensiblement les premières électrodes de déplacement 51a, 52a sur toute leur longueur, et présente une largeur de contact (dans le plan (X,Y)) sensiblement égale à la distance 2R définie précédemment et correspondant à la distance séparant les bordures extérieures des premières électrodes 51a, 52a, dans leur partie rectiligne.
  • De même, on génère (Fig. 4B) un second champ électrique oscillant et non uniforme, sous l'effet d'une commande électrique, en appliquant une tension adaptée aux deux secondes électrodes de déplacement 51b, 52b.
  • Le second doigt fluidique 19b s'étend le long des deux secondes électrodes de déplacement 51b, 52b recouvrant sensiblement les secondes électrodes sur toute leur longueur.
  • Ensuite, à l'arrêt de la première commande électrique (figure 4C), le premier doigt fluidique 19a se rompt par capillarité en une pluralité de premières gouttes situées chacune sur une première zone de formation de goutte.
  • De même, à l'arrêt de la seconde commande électrique (figure 4C), le second doigt fluidique 19b se rompt par capillarité en une pluralité de secondes gouttes situées chacune sur une seconde zone de formation de goutte.
  • En effet, le doigt fluidique 19a, 19b, en l'absence de force électrostatique, est naturellement instable. Le doigt se rompt sous l'effet d'une instabilité hydrodynamique de type Rayleigh-Plateau. Ce fractionnement du doigt en une pluralité de gouttes permet en effet de diminuer l'énergie de surface du liquide.
  • L'instabilité est une compétition capillarité/inertie et la longueur d'onde la plus instable est telle que k max . R = 1 / 2 ,
    Figure imgb0001
     où kmax est le nombre d'onde. La longueur d'onde la plus instable s'écrit donc λmax=9,016R, R étant le rayon du doigt fluidique.
  • Aussi, les zones de formation de goutte (53a, 53b) sont espacées les unes des autres d'une distance sensiblement égale à λmax. Ces zones de formation de goutte permettent de déformer l'interface du doigt fluidique 19a, 19b à la longueur d'onde λmax, et ainsi de "présélectionner" la longueur d'onde voulue.
  • Ainsi, les gouttes se forment simultanément et sont localisées chacune dans une zone de formation de goutte 53a, 53b.
  • Chaque goutte présente un volume calibré. Le volume dépend de la largeur 2R du doigt fluidique 19a, 19b, de la distance λmax entre les zones de formation de goutte 53a, 53b et du rayon Rbosse des excroissances, ou bosses 531, 532, à travers l'équation suivante : 2 ⁢ π 3 ⁢ R bosse + R 3 ≈ π 2 ⁢ R 2 ⁢ λ max + 2 ⁢ π 3 ⁢ R bosse 3
    Figure imgb0002
  • On substitue λmax en fonction de R dans l'équation ci-dessus pour aboutir à une relation exprimant Rbosse en fonction de R de la manière suivante : R bosse = 0.96 ⁢ xR ∼ R
    Figure imgb0003
  • La distance d'espacement H entre la première surface 3a et la seconde surface 3b, ainsi que les dimensions latérales g et w et éventuellement Rbosse des électrodes de déplacement 51, 52 sont adaptées de sorte que l'épaisseur maximale des premier et second doigts soit inférieure à la distance H et que la somme des rayons des première et seconde gouttes présente une épaisseur supérieure à cette distance H.
  • Autrement dit, supposons que les rayons (dans le plan (Y,Z)) des premier et second doigts fluidiques 19a, 19b sont respectivement RA et RB, alors les rayons des premières et secondes gouttes 23a, 23b est de l'ordre de 2RA et 2RB respectivement. Dans ce cas (Fig. 5), la hauteur H séparant les première et seconde surfaces vérifie l'inégalité suivante : R A + R B < H < 2 ⁢ R A + 2 ⁢ R B .
    Figure imgb0004
  • En effet, la Fig. 5 est une vue schématique en perspective de la zone de croisement du dispositif de la Fig. 2.
  • Les exemples numériques donnés dans le tableau associé à la Fig. 5 montre que pour une distance de séparation H de l'ordre de 50µm, les premières électrodes 51a, 52a peuvent présenter une largeur wA de l'ordre de 8µm à 16µm et être espacées l'une de l'autre d'une distance gA de l'ordre de 4µm à 8µm, et que les secondes électrodes 51b, 52b peuvent présenter une largeur wB de l'ordre de 16µm à 20µm et être espacées l'une de l'autre d'une distance gB de l'ordre de 8µm à 10µm.
  • Alors, le rayon RA du premier doigt fluidique est de l'ordre de 10µm à 20µm (RA=wA+gA/2), la distance λA,max entre les premières zones de formation de goutte est de l'ordre de 90µm à 180µm, le rayon RA,bosse du demi-disque est de l'ordre de 9,6µm à 19,2µm, le rayon RA,goutte (i.e. RA,total) de la première goutte 23a est de l'ordre de 19,6µm à 39,2µm, et le volume VA de la première goutte est de l'ordre de 16 pL à 126 pL.
  • En outre, le rayon RB du second doigt fluidique est de l'ordre de 20µm à 30µm, la distance λB,max entre les secondes zones de formation de goutte est de l'ordre de 180µm à 270µm, le rayon RB,bosse du demi-disque est de l'ordre de 19,2µm à 28,8µm, le rayon RB,goutte (i.e. RB,total) de la seconde goutte est de l'ordre de 39,2µm à 58,8µm, le volume VB de la seconde goutte 23b est de l'ordre de 126 pL à 426 pL, et le volume VC de la goutte globale est de l'ordre de 252 pL à 442 pL.
  • Ainsi, les premières et secondes gouttes 23a, 23b présentent une épaisseur suffisante pour que les premières gouttes 23a de la première surface 3a viennent au contact des secondes gouttes 23b correspondantes de la seconde surface 3b formant ainsi des gouttes globales 25 correspondantes.
  • Le procédé selon l'invention permet de former des gouttes rapidement et de les manipuler avec précision pour réaliser des interactions entre différentes solutions d'intérêt.
  • Il est à noter que la formation d'un doigt fluidique 19a, 19b est en effet très rapide, avec une vitesse de déplacement du liquide de l'ordre de 1 à 10cm/s; il suffit de 50 à 500 ms seulement pour former un doigt fluidique de 5mm. De plus, les gouttes sont formées encore plus rapidement, dans la mesure où le temps caractéristique d'une instabilité capillarité/inertie ρ ⁢ R 3 / σ ,
    Figure imgb0005
    est soit moins que 0,01ms pour une densité de liquide ρ=1000kg/m3, une demi-largeur R de doigt de l'ordre de quelques dizaines de micromètre et une tension de surface liquide/air σ=0,072Nm.
  • On notera que les zones de formation de goutte 53 peuvent être réalisées sur seulement une des première et seconde surfaces 3a, 3b. Ainsi, on forme des gouttes aux endroits souhaités (c'est-à-dire au niveau des électrodes dotées d'excroissances) et le liquide peut-être de nouveau déplacé grâce aux électrodes en vis-à-vis ne possédant pas d'excroissance.
  • A titre d'exemple (non représenté), la paire de premières électrodes de déplacement 51a, 52a peut comporter une pluralité de premières zones de formation de goutte 53a, tandis que la paire de secondes électrodes 51b, 52b n'en possède pas.
  • Ainsi, après la désactivation des premières électrodes 51a, 52a, le premier doigt fluidique 19a se rompt en une pluralité de premières gouttes 23a situées chacune sur une de ces premières zones de formation de goutte 53a. Ensuite, la paire de secondes électrodes 51b, 52b peut être activée pour déplacer au moins une seconde goutte 23b le long de ces secondes électrodes, pour venir au contact d'une première goutte 23a correspondante située dans une première zone de formation de goutte 53 afin de former une goutte globale 25. En outre, la paire de secondes électrodes 51b, 52b peut être activée pour ensuite déplacer la goutte globale 25 ainsi formée le long des secondes électrodes.
  • Ceci permet par exemple d'utiliser des solvants jouant le rôle d'extracteur sur la première surface du substrat supérieur tandis que des liquides ioniques sont déplacés sur la seconde surface du substrat inférieur pour réaliser une extraction liquide-liquide.
  • Les Figs. 6A-6E illustrent de manière schématique un dispositif microfluidique de manipulation des gouttes, selon une configuration particulière du premier mode de réalisation préféré de l'invention.
  • La première surface 3a comporte un premier réseau de m paires de premières électrodes 51a, 52a comprenant chacune une suite de n premières zones de formation de goutte 53a formant ainsi un premier ensemble de nm premières zones de formation de goutte 53a. Le dispositif 102 comporte également un ensemble de m premiers réservoirs 9a de m premiers liquides d'intérêts 119a disposés de manière à pouvoir mettre en contact de manière respective les m premiers liquides d'intérêt 119a avec les m paires de premières électrodes 51a, 52a.
  • La seconde surface 3b comporte un second réseau de n paires de secondes électrodes 51b, 52b comprenant chacune une suite de m secondes zones de formation de goutte 53b formant ainsi un second ensemble de nm secondes zones de formation de goutte 53b. En outre, le dispositif comporte un ensemble de n seconds réservoirs 9b de n seconds liquides d'intérêts 119b disposés de manière à pouvoir mettre en contact de manière respective les n seconds liquides d'intérêt 119b avec les n paires de secondes électrodes 51b, 52b.
  • Les nm premières zones de formation de goutte 53a sont disposées de manière à croiser les nm secondes zones de formation de goutte 53b pour former un ensemble de nm zones de croisement 7.
  • Plus particulièrement, la vue de dessus du dispositif 102 illustré sur la Fig. 6A montre trois (m=3) paires de premières électrodes 51a, 52a comprenant chacune trois (n=3) premières zones de formation de goutte 53a ainsi que trois (n=3) paires de secondes électrodes 51b, 52b comprenant chacune trois (m=3) secondes zones de formation de goutte 53b.
  • Les premières électrodes 51a, 52a de la première surface 3a peuvent former par rapport aux électrodes 51b, 52b de la seconde surface 3b un angle θ quelconque du moment que la distance de séparation H est bien dimensionnée par rapport aux largeurs wA, wB et écarts gA, gB des paires d'électrodes afin que l'inégalité (RA+RB)<H<(2RA+2RB) soit satisfaite.
  • A l'état initial, les gouttes mères des m premiers liquides d'intérêt 119a se trouvent dans les m premiers réservoirs 9a au début des pistes des m paires de premières électrodes 51a, 52a. De même, les gouttes mères des n seconds liquides d'intérêt 119b se trouvent dans les n seconds réservoirs 17b au début des pistes des n paires de secondes électrodes 51b, 52b.
  • La Fig. 6B (vue de dessus) et la Fig. 6C (vue en coupe) montrent que lorsqu'un signal oscillant avec une fréquence et une tension adéquate est envoyé par une source de tension alternative 21a, 21b sur les premières 51a, 52a et secondes 51b, 52b électrodes, des premiers et seconds doigts fluidiques 19a, 19b se mettent en mouvement le long des électrodes sans qu'ils n'entrent en contact. Au bout d'un certain temps très rapide (de l'ordre de quelques dizaines de milliseconde), les doigts fluidiques 19a, 19b atteignent les bouts des électrodes. Le profil des doigts est un semi-disque et a pour rayon RA pour les premiers doigts et RB pour les seconds doigts.
  • La Fig. 6D (vue de dessus) et la Fig. 6E (vue en coupe) montrent que dès que l'on ouvre le circuit électrique et que les électrodes (51a, 52a, 51b, 52b) ne sont plus alimentées, le liquide agit en sorte de retrouver un état d'énergie minimal en se rétractant en direction des excroissances (zones de formation de goutte). Ainsi, nm premières gouttes 23a de rayon d'environ 2RA se forment sur les nm premières zones de formation de goutte 53a et nm secondes gouttes 23b de rayon d'environ 2RB se forment sur les nm secondes zones de formation de goutte 53b.
  • Ainsi, chacune des nm premières gouttes 23a issues de la première surface 3a interagisse avec la goutte 23b correspondante des nm secondes gouttes issues de la seconde surface 3b pour former un ensemble de nm gouttes globales 25 dans les nm zones de croisement 7.
  • Ceci permet de réaliser des mélanges de composants biologiques (par exemple, brins d'ADN) ou chimiques en très grand nombre, de manière simultanée, et en un temps très rapide.
  • On peut aussi utiliser des solvants jouant le rôle d'extracteur sur la première surface du substrat supérieur tandis que des liquides ioniques sont déplacés sur la seconde surface du substrat inférieur.
  • Le dispositif peut aussi être utilisé pour former un réseau de piliers solides à géométrie reconfigurable. Dans ce cas, les liquides déplacés sont par exemple, des cires ou paraffines qui ont des propriétés de fusions et de solidification intéressantes.
  • Avantageusement, le dispositif de manipulation comporte des moyens de détection d'un composant d'une goutte formée au niveau d'au moins une zone de croisement. Ces moyens de détection peuvent être des moyens optiques, électromécaniques, chimiques ou autres.
  • Les Figs. 7A et 7B illustrent de manière schématique un dispositif de manipulation selon une configuration des Figs. 6A-6E, et comportant des moyens de détection optiques.
  • Ce dispositif 103 est une puce microfluidique comportant un substrat supérieur 11a réalisé en un matériau transparent et couplé à des moyens de détection optiques 61, 63. Ces moyens comprennent une source de lumière 61 éclairant la(les) goutte(s) globale(s) 25 à travers le substrat transparent 11a et un capteur, ou moyens de réception 63 de lumière pour recevoir la lumière diffusée par ce(ces) goutte(s) 25. Ainsi, la lumière diffusée par une goutte permet d'analyser l'interaction qui se produit à l'intérieur de cette goutte.
  • Cet exemple illustre la réalisation d'une carte de réponse de fluorescence sur n2 réactions chimiques/biologiques (ici n=4) à partir de 2n échantillons de manière automatisée et simultanée.
  • En effet, à partir de deux solutions biologiques ou chimiques A et B comprenant respectivement des éléments chimiques ou biologiques α et β, on prépare nα échantillons (CA1, CA2, CA3, CA4) de la solution A dans les premiers réservoirs 9a, et nβ échantillons (CB1, CB2, CB3, CB4) de la solution B dans les seconds réservoirs 9b, avec des propriétés différentes pour chaque échantillon (par exemple, en concentrations du produit).
  • Avec le dispositif de manipulation 103, on forme de manière simultanée et automatisée nα.nβ gouttes globales 25 différentes les unes des autres à partir de l'interaction entre des nα première gouttes et des nβ secondes gouttes correspondantes.
  • Avec les moyens d'émission 61, on envoie une excitation lumineuse qui sera diffusée par les différentes gouttes globales 25. La lumière diffusée et captée par les moyens de réception 63 permet de déterminer avec précision les réponses en fluorescence des interactions ou réactions entre les éléments α et β (Fig. 7B).
  • Selon une variante, les moyens de détection sont des moyens électromécaniques. Dans ce cas, le dispositif de manipulation comprend au moins un détecteur sur au moins l'un des substrats supérieur et inférieur. Le détecteur peut être un oscillateur électromécanique plan disposé au niveau d'une zone de croisement et dont une face forme une surface de détection appartenant à l'une ou l'autre des première et seconde surfaces.
  • En effet, les Figs. 8A et 8B illustrent de manière schématique des moyens de détection électromécaniques intégrés dans un dispositif de manipulation selon une variante du premier mode de réalisation. Plus particulièrement, la Fig. 8A est une vue schématique en coupe longitudinale du dispositif et la Fig. 8B est une vue schématique en perspective d'une partie du substrat inférieur du dispositif de la Fig. 8A.
  • Le substrat supérieur 11a du dispositif 104 est similaire à celui qui a été décrit précédemment. Avantageusement, le substrat supérieur 11a comporte une couche hydrophobe 14a formée sur la couche diélectrique 13a. La couche hydrophobe 14a qui forme alors la première surface 3a peut être du SiOC, du PTFE (polytétrafluoroéthylène), voire du parylène, et présenter une épaisseur de quelques nanomètres à quelques microns.
  • Avantageusement, la couche diélectrique 13a et la couche hydrophobe 14a peuvent être une seule couche d'un même matériau, qui peut être, par exemple, du téflon, du parylène, du SiOC.
  • Le substrat inférieur 111b comporte une pluralité d'oscillateurs électromécaniques 71 maintenus dans le substrat 111b par des moyens de support 73 (Fig. 8B). La face supérieure (c'est-à-dire, la seconde surface 113b) du substrat inférieur 111b comporte alors des surfaces de détection 114b formées par les faces des oscillateurs 71.
  • Les oscillateurs 71 peuvent être similaires ou identiques à ceux décrits dans la demande internationale WO2009/141515 , déposée au nom de la demanderesse, décrivant un dispositif de détection gravimétrique de particules en milieu fluide.
  • Chaque oscillateur 71 est ici une plaque carrée disposée au-dessus d'une cavité 75 lui permettant de vibrer dans son plan et hors plan. Cependant, il peut présenter d'autres formes, par exemple un disque, un anneau, ou un polygone.
  • Chaque plaque 71 est montée sur le substrat inférieur 111b par des moyens de support 73, des sommets de contact (Fig. 8B) ou éventuellement des poutres (non représentées), répartis aux quatre sommets de l'oscillateur 71 et orientés suivant les diagonales de celui-ci.
  • La plaque 71 carrée présente une largeur comprise entre 5 et quelques centaines de microns. Son épaisseur est typiquement inférieure ou égale au dixième de sa largeur. La plaque 71 carrée peut être réalisée dans un matériau choisi parmi le silicium monocristallin, le silicium polycristallin, le diamant, le nitrure de silicium, l'oxyde de silicium, le nickel, le tungstène, voire le platine ou tout autre matériau utilisé dans le domaine des microsystèmes ou nanosystèmes électromécaniques (MEMS, NEMS).
  • La paire de secondes électrodes de déplacement 51b, 52b s'étend sur la seconde surface 113b à partir d'un second réservoir (non représenté), se prolonge sur la plaque carrée 71 de l'oscillateur formant surface de détection 114b, par l'intermédiaire des moyens de support 73. La paire de secondes électrodes 51b, 52b forme une seconde zone de formation de goutte 153b au niveau de la surface de détection 113b.
  • En outre, la plaque carrée 71 est disposée dans une zone de croisement 7 directement en regard d'une première zone de formation de goutte 53a des premières électrodes de déplacement.
  • Chaque oscillateur 71 est adapté pour être mis en vibration, de préférence à sa fréquence de résonance, par couplage capacitif avec des électrodes 81, 82 d'actionnement disposées en regard de la bordure de l'oscillateur 71.
  • Il est à noter que l'oscillateur 71 peut vibrer, de préférence dans son plan, selon un mode de vibration prédéterminé choisi parmi le mode de Lamé, le mode d'extension volumique ou le mode dit « du verre à vin » (Wine Glass) ou tout autre mode de contour.
  • La détection gravimétrique est réalisée par couplage capacitif entre l'oscillateur 71 et deux électrodes de mesure 84, 85 disposées en regard de la bordure de l'oscillateur 71.
  • A partir du courant électrique mesuré, on en déduit l'écart de fréquence entre la fréquence de vibration effective et la fréquence initiale imposée.
  • Le mode de formation des premier et second doigts fluidiques est identique à ce qui a été décrit précédemment. En particulier, le second doigt fluidique est formé par diélectrophorèse liquide et s'étend sur le substrat inférieur 111b et les oscillateurs 71 via les moyens de support 73 correspondants.
  • Les secondes zones de formation de goutte 153b sont disposées sur chaque surface de détection 114b. Ainsi, à l'arrêt de la commande électrique, le second doigt fluidique se rompt par capillarité en une pluralité de secondes gouttes, chacune étant disposée sur une seconde zone de formation de goutte 153b, et ainsi sur une surface de détection 114b de l'oscillateur 71 correspondant.
  • Chacune des secondes gouttes 23b formées sur les surfaces de détection 114b interagit avec la goutte correspondante des premières gouttes 23a issues de la première surface pour former un ensemble de gouttes globales sur les différentes surfaces de détection 114b. La détection gravimétrique permet ensuite d'analyser les interactions se produisant à l'intérieur de ces gouttes.
  • Il est à noter que la surface de détection 114b de l'oscillateur 71 peut avantageusement présenter une zone hydrophile destinée à être recouverte par la goutte.
  • En variante, le dispositif de manipulation peut comporter des moyens de détection électrophysiologiques (non représentés).
  • En effet, les oscillateurs 71 dans le substrat inférieur 11b peuvent être remplacés par des capteurs électrophysiologiques. Ces capteurs enregistrent des courants ioniques transitant à travers des membranes cellulaires formant des surfaces de détection.
  • Le substrat inférieur présente, au niveau de la surface de détection, une ouverture faisant office de chambre fluidique, dont une des parois est la face inférieure de la membrane.
  • On dispose également des moyens de mesure de la différence de potentiel entre deux points de mesure disposés de part et d'autre de la membrane permettant de mesurer des courants ioniques des espèces transitant à travers la membrane entre la goutte formée sur la membrane et la chambre fluidique.
  • Sur la Fig. 9 est représenté un dispositif microfluidique de manipulation 201 d'une goutte selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
  • Le dispositif de manipulation 201 comprend un substrat inférieur 211b et un substrat supérieur 11a formant capot, disposés en regard l'un de l'autre.
  • Le substrat supérieur 11a est identique à ce qui a été décrit précédemment et comporte ainsi au moins un réservoir 9a de liquide d'intérêt et au moins une première piste 5a électrique de déplacement disposée au niveau de la première surface 3a. Avantageusement, le substrat supérieur 11a comporte en outre une couche hydrophobe 14a formée sur la couche diélectrique 13a.
  • Chaque première piste 5a électrique de déplacement comporte une paire de premières électrodes 51a, 52a sensiblement parallèles et coplanaires disposées au niveau de la première surface 3a pour la formation par diélectrophorèse liquide sous l'effet de l'activation électrique, d'un doigt fluidique à partir du réservoir 9a de liquide d'intérêt correspondant. Le doigt fluidique se rompt par capillarité sous l'effet de la désactivation, en générant au moins une goutte 23a.
  • Le substrat inférieur 211b comporte au moins une seconde piste 5b électrique de déplacement disposée au niveau de la seconde surface. Les première et seconde pistes électriques de déplacement définissent entre elles au moins une zone de croisement 7.
  • Chaque seconde piste 5b électrique de déplacement comporte des secondes électrodes 251b, 252b pour le déplacement d'au moins une goutte 23a formée par le substrat supérieur 11a dans une zone de croisement 7.
  • A titre d'exemple, les secondes électrodes 251b, 252b peuvent être des électrodes carrées configurées pour déplacer la(les) goutte(s) par EWOD sous l'effet d'une activation électrique adéquate des secondes électrodes 251b, 252b et d'une mise à la masse de la paire de premières électrodes 51a, 52a sachant que la(les) gouttes présente(nt) une épaisseur suffisante pour être en contact avec les premières et secondes électrodes.
  • En effet, la distance d'espacement H entre la première surface 3a et la seconde surface 3b, ainsi que les dimensions des premières électrodes de déplacement sont adaptées de sorte que l'épaisseur maximale du doigt fluidique soit inférieure à la distance H et que la goutte présente une épaisseur supérieure à cette distance H.
  • Autrement dit, supposons que le rayon d'un doigt fluidique est R, alors le rayon d'une goutte est de l'ordre de 2R. Dans ce cas, la hauteur H séparant les première et seconde surfaces vérifie l'inégalité suivante : R < H < 2 ⁢ R .
    Figure imgb0006
  • A titre d'exemple, pour une distance de séparation de l'ordre de 50µm, les premières électrodes 51a, 52a peuvent présenter une largeur w de l'ordre de 20µm et être espacées l'une de l'autre d'une distance g de l'ordre de 20µm. Le rayon R du doigt fluidique sera ainsi de l'ordre de R=w+g/2=30µm et le rayon d'une goutte sera de l'ordre de 60µm.
  • On notera que selon ce deuxième mode de réalisation, les gouttes sont formées par le substrat supérieur 11a et ainsi le substrat inférieur 111b ne comporte pas de réservoir de liquide d'intérêt.
  • Le deuxième mode de réalisation selon l'invention permet de transférer des gouttes de liquide de la première surface 3a vers la seconde surface 113b et de manipuler ou déplacer ensuite ce liquide grâce aux électrodes de déplacement disposées au niveau de la seconde surface.
  • Avantageusement, le dispositif comporte des moyens de détection optiques, électromécaniques, électrophysiologiques, ou autres, réalisés comme décrit en référence au premier mode de réalisation.
  • En particulier, pour les moyens de détection électromécaniques, les secondes électrodes peuvent être configurées pour par exemple, amener les gouttes sur les surfaces de détection.
  • En outre, la seconde surface peut être fonctionnalisé, et/ou présenter une température différente de la première surface, et/ou comporter des composants biologiques pour la réalisation de divers protocoles biologiques ou chimiques.
  • Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.

Claims (17)

  1. Dispositif microfluidique de manipulation d'une goutte, caractérisé en ce qu'il comprend :
    - des première et seconde surfaces microfluidiques (3a, 3b) parallèles et espacées l'une de l'autre d'une distance de séparation (H),
    - au moins une première piste (5a) électrique de déplacement disposée au niveau de ladite première surface (3a),
    - au moins une seconde piste (5b) électrique de déplacement disposée au niveau de ladite seconde surface (3b), lesdites première et seconde pistes définissant entre elles au moins une zone de croisement (7),
    - l'une au moins desdites première et seconde pistes (5a, 5b) étant configurée pour former par diélectrophorèse liquide, sous l'effet d'une activation électrique, un doigt fluidique (9a, 9b) respectif le long de ladite piste à partir d'un réservoir correspondant de liquide d'intérêt (9a, 9b) disposé de manière à pouvoir mettre en contact ledit liquide avec la surface associée (3a, 3b), ledit doigt fluidique se rompant par capillarité sous l'effet d'une désactivation électrique, en générant au moins une goutte (23a, 23b) respective à partir dudit doigt fluidique dans ladite au moins une zone de croisement (7),
    - les première et seconde pistes (5a, 5b) étant configurées pour que ladite distance de séparation (H) entre lesdites première et seconde surfaces (3a, 3b) soit d'une part, supérieure à l'épaisseur fluidique formée par chaque doigt fluidique et, d'autre part, inférieure à l'épaisseur fluidique formée par chaque goutte.
  2. Dispositif selon la revendication 1, ladite première piste (5a) électrique de déplacement comportant une paire de premières électrodes (51a, 52a) sensiblement parallèles et coplanaires disposées au niveau de ladite première surface (3a) pour la formation sous l'effet de l'activation électrique, d'un premier doigt fluidique (9a) à partir d'un premier réservoir (9a) d'un premier liquide d'intérêt, ladite seconde piste (5b) électrique de déplacement comportant une paire de secondes électrodes (51b, 52b) sensiblement parallèles et coplanaires disposées au niveau de ladite seconde surface (3b) pour la formation sous l'effet de l'activation électrique, d'un second doigt fluidique (19b) à partir d'un second réservoir (9b) d'un second liquide d'intérêt, lesdits premier et second doigts fluidiques (19a, 19b) se rompant par capillarité sous l'effet de la désactivation, en générant au moins une première goutte (23a) et au moins une seconde goutte (23b) respectives qui se mélangent dans ladite au moins une zone de croisement (7) pour former au moins une goutte globale (25).
  3. Dispositif selon la revendication 2, ladite paire de premières électrodes (51a, 52a) comportant une pluralité de premières zones de formation de goutte (53), de sorte qu'à la désactivation de ladite paire de premières électrodes, le premier doigt fluidique (19a) se rompt en une pluralité de premières gouttes (23a) situées chacune sur une desdites premières zones de formation de goutte.
  4. Dispositif selon la revendication 3, ladite paire de secondes électrodes (51b, 52b) comportant une pluralité de secondes zones de formation de goutte (53) disposées chacune en vis-à-vis d'une première zone de formation de goutte distincte formant ainsi une pluralité de zones de croisement (7), de sorte qu'à la désactivation de ladite paire de secondes électrodes, le second doigt fluidique (19b) se rompt en une pluralité de secondes gouttes (23b) situées chacune sur une desdites secondes zones de formation de goutte, chaque seconde goutte venant au contact de la première goutte (23a) correspondante pour former une goutte globale (25) dans la zone de croisement correspondante.
  5. Dispositif selon la revendication 4, ladite première surface (3a) comportant un premier réseau de m paires de premières électrodes (51a, 52a) comprenant chacune une suite de n premières zones de formation de goutte formant ainsi un premier ensemble de nm premières zones de formation de goutte, ladite seconde surface (3b) comportant un second réseau de n paires de secondes électrodes (51b, 52b) comprenant chacune une suite de m secondes zones de formation de goutte formant ainsi un second ensemble de nm secondes zones de formation de goutte, lesdites nm premières zones de formation de goutte croisant lesdites nm secondes zones de formation de goutte pour former un ensemble de nm zones de croisement (7).
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ladite paire de secondes électrodes (51b, 52b) est configurée pour déplacer au moins une seconde goutte (23b) et/ou au moins une goutte globale (25) située le long de ladite paire de secondes électrodes.
  7. Dispositif selon la revendication 1, ladite première piste (5a) électrique de déplacement comportant une paire de premières électrodes (51a, 52a) sensiblement parallèles et coplanaires disposées au niveau de ladite première surface (3a) pour la formation par diélectrophorèse liquide sous l'effet de l'activation électrique, d'un doigt fluidique à partir d'un réservoir de liquide d'intérêt, ledit doigt fluidique se rompant par capillarité sous l'effet de la désactivation, en générant au moins une goutte, ladite seconde piste (5b) électrique de déplacement comportant des secondes électrodes (251b, 252b) pour le déplacement de ladite au moins une goutte sous l'effet d'une activation électrique desdites secondes électrodes.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection d'un composant d'une goutte formée au niveau de ladite au moins une zone de croisement.
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection sont des moyens optiques comprenant une source de lumière (61) pour émettre une lumière sur ladite au moins une goutte et des moyens de réception (63) pour recevoir la lumière diffusée par ladite au moins une goutte.
  10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection sont des moyens électromécaniques comprenant au moins un oscillateur (71) plan dont une face forme une surface de détection (114b) appartenant à l'une ou l'autre desdites première et seconde surfaces.
  11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite surface de détection (114b) présente une zone hydrophile destinée à être recouverte par ladite au moins une goutte.
  12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que chacune desdites paires de premières et secondes électrodes est recouverte d'une couche diélectrique (13a, 13b).
  13. Procédé de manipulation d'une goutte, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
    - mise en contact d'au moins un premier réservoir (9a) comprenant un premier liquide d'intérêt (119a) avec au moins une première piste (5a) électrique de déplacement correspondante disposée au niveau d'une première surface microfluidique (3a),
    - mise en contact d'au moins un second réservoir (9b) comprenant un second liquide d'intérêt (119b) avec au moins une seconde piste (5b) électrique de déplacement correspondante disposée au niveau d'une seconde surface microfluidique (3b), lesdites première et seconde surfaces étant parallèles et espacées l'une de l'autre d'une distance de séparation (H), lesdites au moins une première et au moins une seconde pistes de déplacement définissant entre elles au moins une zone de croisement (7),
    - activation de ladite au moins une première piste de déplacement, de façon à former le long de ladite première piste un premier doigt fluidique (19a) correspondant,
    - activation de ladite au moins une seconde piste de déplacement, de façon à former le long de ladite seconde piste un second doigt fluidique (19b) correspondant,
    - désactivation de ladite au moins une première piste de déplacement, de sorte que le premier doigt fluidique correspondant se rompt par capillarité en générant au moins une première goutte (23a) située dans ladite au moins une zone de croisement,
    - désactivation de ladite au moins une seconde piste de déplacement, de sorte que le second doigt fluidique se rompt par capillarité en générant au moins une seconde goutte (23b) située dans ladite au moins une zone de croisement, ladite distance de séparation entre lesdites première et seconde surfaces étant d'une part, supérieure à la somme des épaisseurs desdits premier et second doigts fluidiques, et, d'autre part, inférieure à la somme des épaisseurs desdites première et seconde gouttes, de sorte que lesdites première et seconde gouttes se mélangent dans ladite au moins une zone de croisement pour former au moins une goutte globale (25).
  14. Procédé selon la revendication 13, comportant les étapes suivantes :
    - mise en contact d'un ensemble de m premiers réservoirs (9a) comprenant m premiers liquides d'intérêt avec un réseau de m premières pistes correspondantes comprenant chacune une suite de n premières zones de formation de goutte formant ainsi un premier ensemble de nm premières zones de formation de goutte,
    - mise en contact d'un ensemble de n seconds réservoirs (9b) comprenant n seconds liquides d'intérêt avec un réseau de n secondes pistes correspondantes comprenant chacune une suite de m secondes zones de formation de goutte formant ainsi un second ensemble de nm secondes zones de formation de goutte, lesdites nm premières zones de formation de goutte croisant respectivement lesdites nm secondes zones de formation de goutte pour former un ensemble de nm zones de croisement (7) correspondantes,
    - activation dudit réseau de m premières pistes, de façon à former un réseau de m premiers doigts fluidiques correspondants,
    - activation dudit réseau de n secondes pistes, de façon à former un réseau de n seconds doigts fluidiques correspondants,
    - désactivation dudit réseau de m premières pistes, de sorte que les m premiers doigts fluidiques correspondants se rompent par capillarité en générant un ensemble de nm premières gouttes dans ledit premier ensemble de nm premières zones de formation de goutte,
    - désactivation dudit réseau de n secondes pistes, de sorte que les n seconds doigts fluidiques correspondants se rompent par capillarité en générant un ensemble de nm secondes gouttes dans ledit second ensemble de nm secondes zones de formation de goutte, les nm premières gouttes se mélangeant avec les nm secondes gouttes correspondantes pour former un ensemble de nm gouttes globales dans les nm zones de croisement correspondantes.
  15. Procédé selon la revendication 14, lesdits m premiers réservoirs comprenant respectivement m premiers échantillons de propriétés différentes d'une première solution et lesdits n seconds réservoirs comprenant respectivement n seconds échantillons de propriétés différentes d'une seconde solution formant ainsi nm gouttes globales différentes.
  16. Procédé selon la revendication 15, comportant une détection par des moyens optiques, électromécaniques, ou électrophysiologiques des différentes interactions entre lesdites première et seconde solutions.
  17. Procédé de manipulation d'une goutte, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
    - mise en contact d'au moins un réservoir (9a) comprenant un liquide d'intérêt avec au moins une première piste (5a) électrique de déplacement correspondante disposée au niveau d'une première surface microfluidique (3a), ladite première surface étant parallèle à une seconde surface microfluidique (3b) et espacée de celle-ci d'une distance de séparation (H), ladite seconde surface comprenant au moins une seconde piste (5b) électrique de déplacement définissant au moins une zone de croisement (7) avec ladite au moins une première piste,
    - activation de ladite au moins une première piste de déplacement, de façon à former le long de ladite première piste un doigt fluidique (19a) correspondant,
    - désactivation de ladite au moins une première piste de déplacement, de sorte que le doigt fluidique correspondant se rompt par capillarité en générant au moins une goutte (23a) située dans ladite au moins une zone de croisement, ladite distance de séparation entre lesdites première et seconde surfaces étant d'une part, supérieure à l'épaisseur dudit doigt fluidique et, d'autre part, inférieure à l'épaisseur de ladite au moins une goutte, et
    - activation de ladite au moins une seconde piste électrique de déplacement, de façon à déplacer ladite au moins une goutte.
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