EP2678106A1 - Dispositif microfluidique d'extraction a interface liquide-liquide stabilisee - Google Patents

Dispositif microfluidique d'extraction a interface liquide-liquide stabilisee

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EP2678106A1
EP2678106A1 EP12705683.6A EP12705683A EP2678106A1 EP 2678106 A1 EP2678106 A1 EP 2678106A1 EP 12705683 A EP12705683 A EP 12705683A EP 2678106 A1 EP2678106 A1 EP 2678106A1
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EP
European Patent Office
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liquid
pillars
carrier liquid
micro
extraction device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12705683.6A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean Berthier
Nicolas Sarrut-Rio
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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
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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
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01D11/0496—Solvent extraction of solutions which are liquid by extraction in microfluidic devices
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
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    • G01N1/38—Diluting, dispersing or mixing samples
    • G01N2001/381—Diluting, dispersing or mixing samples by membrane diffusion; Permeation tubes

Definitions

  • the present invention relates to the general field of microfluidics and relates to a microfluidic device for liquid - liquid extraction of analytes of interest.
  • the extraction of the analytes of interest is carried out in an extraction chamber of the micro-device in which the two liquids circulate, separated from each other by micro-pillars arranged parallel to the flows.
  • the analytes of interest may be chemical and / or biological particles, such as macromolecules, cells, organelles, pathogens, or even intercalating agents.
  • microfluidic extraction device finds application particularly in biotechnology, chemistry and environmental sciences.
  • C f is the case for example the field of diagnosis, monitoring food or environmental monitoring.
  • the analysis steps may require, prior to the detection of the analytes and the measurement of their concentration, to transfer said analytes of interest from a carrier liquid to a liquid solvent to obtain a high concentration of analytes in the liquid solvent. . This makes it possible to increase the efficiency and accuracy of the detection of said analytes by the current analysis means.
  • such a micro-extractor 1 comprises an extraction chamber 30 formed of two transfer zones 31A, 31B separated from one another in the longitudinal direction by a plurality of micro-pillars. 32.
  • the longitudinal direction coincides with the direction of flow of the liquids in the extraction chamber. It corresponds to the direction in which the interface between the two liquids is extended.
  • the extraction chamber 30 is delimited by lower, upper and lateral walls.
  • the micropiliers 32 are aligned in the longitudinal direction and extend each between the lower and upper walls.
  • Each transfer zone 31A, 31B communicates with a microchannel 40A, 40B which ensures the fluid circulation of two liquids in the extraction chamber. 30 along the longitudinal direction thereof.
  • the carrier liquid P of analytes of interest circulates within the first transfer zone 31A, and the liquid solvent S flows into the second transfer zone 31B.
  • the carrier liquid P is water or an aqueous solution
  • the liquid solvent S is an organic solution. Both liquids are immiscible with each other.
  • the analytes of interest may be chemical and / or biological particles, such as macromolecules, cells, organelles, pathogens, or even intercalating agents.
  • the interface of the carrier liquid P with the liquid solvent S is located between each micropillar 32 and extends between the lower and upper walls. More specifically, the carrier liquid P forms a plurality of interfaces with the liquid solvent S, which are each in contact with two adjacent micro-pillars 32 and the lower and upper walls.
  • the analytes of interest diffuse through the interfaces, from the carrier liquid to the liquid solvent, and bind, for example ligands so that they can not return to the carrier liquid, or, for example because of a better solubility in the solvent.
  • the interfaces are in particular subjected to capillary wetting forces due to the contact of the fluids considered with the microbeams and said walls, during their circulation.
  • a first liquid for example the carrier liquid
  • a wetting angle that is too high in particular greater than 165 ° or even 170 °
  • the second liquid for example the solvent
  • 1 / invention aims to provide a microfluidic device for extracting analytes of interest of a carrier liquid in a solvent liquid, the interface f of the carrier liquid with the liquid solvent has improved stability compared to the realization of the prior art mentioned above.
  • the subject of the invention is a microfluidic device for extracting analytes of interest from an aqueous carrier liquid in a liquid solvent immiscible with the carrier liquid, comprising an extraction chamber delimited by lower walls. , top and side, and formed of a first and of f a second transfer zones forming respectively a part of a first microchannel and a second microchannel and being separated one from each other in the longitudinal direction by a plurality of micro-pillars extending between said lower and upper walls, said device comprising means for ensuring a circulation in said microchannels of the carrier liquid with a non-zero flow Dl and liquid solvent with a non-zero flow D2, with D1 / D2> 1, said first transfer zone containing said carrier liquid and said second transfer zone containing said liquid solvent, said liquid solvent forming with the said carrier liquid a plurality of interfaces each of which extends between two adjacent micro-pillars and said lower and upper walls, said device being characterized in that the carrier liquid bathed in the liquid solvent and
  • 9 min > 45 ° and 9 max ⁇ 135 ° which defines a first range in which the average of the wetting angles ⁇ and ⁇ 2 can change.
  • a second narrower range is defined, between 9 min and 9 raax limit angles such as 9 min > 70 ° and 9 raax ⁇ 110 °.
  • the inventors have found that more has approaches 0 °, (ie when the average ⁇ ⁇ wetting angles and 9 2 defined above approaches the limit angles 45 ° or 135 °) plus the change in pressure both sides of the interface must be controlled, and less than a critical pressure variation APmax, described later.
  • the wetting angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are greater than 10 ° or even 15 ° and less than 170 °, or even 165 ° in order to avoid the appearance of a film of wetting. contact with one of the materials constituting the device.
  • a be between 25 ° and 45 °.
  • the previously defined wetting angles are contained in a restricted angular range whose limit values 9 min and 9 max are such that 9 min > 70 ° and e max ⁇ 120 °.
  • Such a restricted angular range allows, for example, good stability of the interface, being relatively insensitive to pressure fluctuations on either side of the interface.
  • This range can, for example, be obtained using the following materials and liquids:
  • second liquid ionic liquid, for example [BMP], [NTf] - (1-butyl-methylpyrrolidinium bis- (trifluoromethane sulfonamidide).
  • glass for example Pyre
  • carrier liquid is meant a liquid containing analytes of interest.
  • liquid solvent a liquid capable of receiving and keeping the analytes of interest initially contained in the carrier liquid.
  • the longitudinal direction coincides with the direction in which f s extends the interface between the carrier liquid and the liquid solvent. When the carrier liquid and possibly the liquid solvent are flowing, the longitudinal direction coincides with the direction of flow of the liquid (s).
  • the longitudinal direction is in a plane substantially orthogonal to the lower and upper walls.
  • the respective widths w1, w2 of said transfer zones are chosen so as to verify the relationship:
  • the dynamic pressure difference between the carrier liquid and the liquid solvent in the extraction chamber is constant along the longitudinal direction thereof.
  • a threshold value APmax beyond which the interface is likely to break.
  • This threshold value may be the capillary pressure jump 2 ⁇ / ⁇ , where y is the surface tension of the liquid solvent in contact with the carrier liquid, and ⁇ is the average spacing between two adjacent micropiliers.
  • the microfluidic extraction device comprises means adapted to impose, upstream or downstream of the extraction chamber, the static pressure of each of said liquids, said imposed static pressures being substantially equal to one another.
  • a pressure variation ⁇ on both sides of the interface, as close as possible to 0, and in all cases, lower than the critical value APmax.
  • the dynamic pressure difference between the two liquids at any one of said interfaces is substantially zero, and therefore strictly less than the capillary threshold value 2 ⁇ / ⁇ .
  • the microfluidic extraction device according to The invention can be made from two substrates. A lower substrate and an upper substrate, said micro-pillars and said bottom wall being made within said lower substrate while said top wall is formed by said upper substrate.
  • said lower substrate is made of silicon oxide and said upper substrate is made of glass.
  • FIG. 1, already described, is a diagrammatic view from above of a microfluidic extraction device according to an example of the prior art
  • Figure 2 already described, is an enlarged perspective view of a portion of the microfluidic extraction device shown in Figure 1;
  • Fig. 3 is a representation of the wetting angle ⁇ formed by a first liquid L1 wetting in a second liquid L2, in contact with the surface of a material M;
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the extraction chamber of a microfluidic extraction device according to the method of preferred embodiment of the invention.
  • Figure 5 illustrates a cross-section of the microfluidic device of FIG. 4 when the condition of stability is not respected.
  • Figure 4 shows a microfluidic device for liquid - liquid extraction, or microextraorganisme, allowing the transfer of f analytes of interest of a carrier liquid to a liquid solvent according to the preferred embodiment of the invention.
  • a direct orthonormal coordinate system in Cartesian coordinates (X, Y, Z) shown in FIG. 3 is used.
  • the direction X is oriented in the longitudinal direction corresponding to the direction of circulation of the liquids.
  • the direction Y is orthogonal to the direction X and the direction Z is oriented according to the height of the device.
  • the device 1 comprises an extraction chamber 30 delimited by lateral walls, lower 11 and upper 12.
  • the extraction chamber 30 is formed of first and second transfer zones 31A, 31B separated from each other longitudinally by a plurality of micro-pillars 32.
  • micro-pillars 32 are aligned in the longitudinal direction and extend in the Z direction between said lower 11 and upper 21 walls.
  • They are preferably cylindrical in the general sense of the term, and may have a circular, oblong or even polygonal section.
  • the section is polygonal, for example triangular, square, rectangular, and has sharp angles.
  • the extraction chamber 30 is formed by a lower substrate and an upper substrate.
  • the transfer zones 31A, 31B and the micro-pillars 32 are formed in the lower substrate.
  • the upper substrate, or cover, is assembled to the lower substrate.
  • the micro-pillars 32 are made in the lower substrate, while the upper wall 21 is a face of the upper substrate.
  • Each transfer zone 31A, 31B communicates with a microchannel 40A, 40B (not shown in FIG. 4) identical to that illustrated in FIG. 1.
  • the microchannel 40A, 40B is formed of an inlet duct 41A, 41B and an outlet duct 42A, 42B disposed respectively upstream and downstream of the extraction chamber 30 ( Figure 1).
  • the first microchannel 40A is connected to means 50A for circulating a liquid ⁇
  • The. second microchannel 40B is connected to means 50B for circulating a liquid solvent S in the second transfer zone 31B with a flow D2, which can be zero ( Figure 1).
  • liquids P, S can circulate in co-current or against the current.
  • the first transfer zone 31A contains the carrier liquid P and the second transfer zone 31B contains the liquid solvent S.
  • the liquid solvent S is ionic.
  • the carrier liquid P forms with the liquid solvent S, in the extraction chamber 30, a plurality of interfaces 2 each of which extends between two adjacent micro-pillars 32 and between the lower and upper walls 11 and 21.
  • each liquid in question in 1 case the carrier liquid 1 and the solvent liquid, wetting angles ⁇ and ⁇ 2 of the materials constituting the pillars, and the lower or upper surfaces can be defined.
  • FIG. 3 particularly illustrates the definition of a wetting angle according to the invention.
  • the wetting angle ⁇ can be defined, as corresponding to the contact angle, that a drop of a first liquid LI at rest, bathed in a second liquid L2 at rest, forms when it is placed. in contact with a material M.
  • Anchorage angles are then characteristic of the materials constituting the device (the upper wall, the lower wall or the pillars) and not flows.
  • a first wetting angle ⁇ can be defined, corresponding to the contact angle that a drop of this first liquid, bathed in the second liquid (the liquid solvent in this example), form when placed in contact with the material constituting the micro-pillars.
  • the wetting angle at the bottom wall 11 is substantially equal to that measured at the micro-pillars 32. This angle will also be noted ⁇ .
  • the bottom wall and the micro-pillars are made of the same material, since they are made in the lower substrate
  • a second wetting angle ⁇ 2 is defined at the upper wall 21; it then corresponds to the contact angle that a drop of the first liquid, immersed in the second liquid (the solvent liquid in this example), forms when it is placed in contact with the material constituting the upper wall.
  • the surfaces are said to be hydrophilic when the wetting angle ⁇ as represented in FIG. 3 is less than 90 ° and said hydrophobic for an angle ⁇ greater than 90 °.
  • the wetting angle ⁇ may represent the angle ⁇ in the case where the material M is the material of the lower substrate, where ⁇ 2 in the case where M is the material of the upper substrate.
  • the liquid considered is said to be wetting and in the second case, non-wetting. It should be noted that we are here in the situation of partial wetting and not in the case of total wetting.
  • the carrier liquid P, the liquid solvent S and the materials of the micro-pillars and the upper or lower wall are chosen so that the wetting angles ⁇ 1 and ⁇ 2 satisfy the relationship:
  • the wetting angles ⁇ ⁇ and ⁇ 2 are greater than 10 ° or even 15 ° and less than 170 °, or even 165 ° in order to avoid the appearance of a contact film with one of the materials constituting the device (the upper wall, the lower wall or the pillars).
  • the interfaces 2 between two micro-pillars 32 are stable and remain in contact with the micro-pillars 32 and the lower walls 11 and upper 21.
  • the average of the first and second wetting angles must be between two limit angles 9min and 9max, with 9min> 45 ° and 9max ⁇ 135 °.
  • the interface 2 moves according to the bold arrows shown in FIG. 5, which can lead to an interface break.
  • the first liquid LI invades the half-channel intended for L2. More specifically, it is shown in FIG. A cross-section of the microfluidic device of FIG. 4.
  • the interface 2 has here moved beyond the micro-pillar 32 and has entered the part of the microchannel reserved for L2.
  • the contact angles si and ⁇ 2 which have been shown, result from the flow conditions of the liquids Ln and L 2 in the device. These are not wetting angles ( ⁇ ⁇ or ⁇ 2 ) within the meaning of the invention.
  • a wetting angle ⁇ is defined as 1 1 angle formed by a drop of a first liquid wetting material M, this drop bathing, at rest, in a second liquid.
  • the interface 2 may be unstable when the average of the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 is close to these limit angles. Indeed, under such conditions, the stability can be obtained only when the pressure variation AP on either side of 1 1 interface is lower than the threshold APmax previously defined. The slightest fluctuation of this pressure variation is liable to cause instability of the interface, which may lead to invasion of the channel occupied by the least wetting liquid by the most wetting liquid.
  • the carrier liquid P being an aqueous solution
  • the solvent S being an organic solvent such as cyclohexane
  • This threshold value corresponds substantially to the capillary pressure jump 2 ⁇ / ⁇ , where ⁇ is the surface tension of the carrier liquid P in contact with the liquid solvent S, and ⁇ is the average spacing between two adjacent micro-pillars 32.
  • This critical length therefore limits the useful length of transfer in the extraction chamber.
  • the respective widths w1, w2 of said transfer zones 31A, 31B are chosen so as to verify the relation: where ⁇ ⁇ is the dynamic viscosity of the liquid considered, and ⁇ ( ⁇ ) is a coefficient expressing the friction to which the liquid passing through the channel i is subjected. The smaller the channel, the higher the coefficient. For the targeted applications, this factor is generally between 1 and 5. In the case of a channel of rectangular section, we have:
  • the width of the channel z " and H is the height of the channels, D, and D 2 are respectively the flow rates of the carrier liquid and the liquid solvent.
  • the dynamic pressure difference between the carrier liquid P and the liquid solvent S in the extraction chamber 30 is constant along the longitudinal direction thereof.
  • An extraction chamber 30 is thus obtained in which the interfaces 2 are stable in every respect.
  • the extraction chamber 30 can therefore be of great length, which makes it possible to obtain a particularly important transfer surface area.
  • each of the liquids P, S is fixed upstream or downstream of the extraction chamber 30, so that the imposed static pressures are substantially equal.
  • the variation of the pressure being zero on both sides of the interface, the latter is very stable, and even more particularly when 70 ° ⁇ ( ⁇ 1 + ⁇ 2) / 2 ⁇ 110 °.
  • the dynamic pressure difference between the two liquids P, S at any of said interfaces 2 is therefore substantially zero and always strictly less than the capillary threshold value 2 ⁇ / ⁇ .
  • the upstream or downstream static pressures can be set by the means 50A, 50B adapted to circulate the liquids in the microchannels, for example microfluidic flow pumps (FIG. 1).
  • the micro-extractor 1 according to the preferred embodiment of the invention can be made of as follows, as is partially described in the article by Tran et al. entitled “Micro-extractor for liquid-liquid extraction, concentration and in-situ detection of lead” I RET-10: 10th International Conference on Microneaction, AIchE 2008 pring National Meeting, 6-10 April 2008, New La, USA.
  • the lower substrate is monolithic and may be silicon (Si0 2 ).
  • the upper substrate may be silicon or glass.
  • 31A, 31B forming the extraction chamber 30 and the micro-pillars 32 may be produced by conventional microtechnology techniques (for example photolithography followed by etching), for example by selective etching of the DRIE ("Deep Reactive Ion Etching") type. " in English) .
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching
  • the surfaces of the lower and upper substrates may be treated by silanization, so as to possibly modify the wetting angles ⁇ 1 and ⁇ 2 of the carrier liquid.
  • the assembly of the two substrates can be achieved by conventional molecular sealing techniques in the silicon / silicon case or anodic sealing in the silicon / glass case. It can also be done by screen printing glue.
  • the height H of the chamber f extraction 30 may be between ⁇ and 1mm, preferably between 50 / um and 500 ⁇ .
  • the length can be of some millimeters to a few centimeters, for example between 5mm and 10cm.
  • the width w1, w2 of the transfer zones 31A, 31B may be between 0.5 and 10 times the height H.
  • the micro-pillars 32 are substantially identical to each other. Their height is equal to the height H of the extraction chamber 30. Their side or the diagonal is between 0.02 and 1 times the height H.
  • the micro-pillars 32 may have a diameter or a side of 30 / xm and a height of ⁇ .
  • the micro-pillars 32 are spaced apart from one another by a distance preferably greater than ⁇ , for example a few microns to a few tens of microns, preferably of the order of 5 to ⁇ .
  • the interface surface 2 is the transfer surface area, which can be from a few square millimeters to a few tens of square millimeters.
  • the liquids P, S are immiscible with each other.
  • the carrier liquid P is preferably aqueous, for example water.
  • the liquid solvent S is advantageously ionic, for example [BMP] [NTf2] (1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethane sulfonamide)).
  • the two liquids P, S have a flow Dl and
  • the carrier liquid P can have a flow rate of 1 to ⁇ / min and the liquid solvent S a flow rate of 0.01 to 5/1 / min.
  • the two liquids P, S are preferably chosen so that the average of the angles of wetting ⁇ 1 and ⁇ 2 previously defined satisfies the relation 70 ° ⁇ ( ⁇ 1 + ⁇ 2) / 2 ⁇ 110 °.
  • the flow of liquids P, S is obtained by syringe pumps and / or electronic nanopumps such as the Dionex Ultimate 3000.
  • the description describes in detail only the embodiment in which the side walls, the bottom wall 11 and the micro-pillars 32 are made of the same material constituting the lower substrate, while the upper wall 21 is a face of the upper substrate made of another material.
  • the first wetting angle ⁇ has been described as the angle formed by a first liquid bathed in a second liquid, in contact with the material constituting the pillars and the lower wall and the second wetting angle ⁇ 2 as 1 '. angle that forms said first liquid bathed in said second liquid, in contact with the material constituting the upper wall.
  • the side walls, the upper wall 11, as well as the micro-pillars may according to a first variant of the embodiment described, be made of the same material constituting the lower substrate, while the lower wall is a face of the upper substrate made of another material.
  • the first wetting angle ⁇ is the angle that forms a first liquid bathed in a second liquid, in contact with the material constituting the pillars and the upper wall; and the second wetting angle ⁇ 2 is the angle formed by said first liquid immersed in said second liquid, in contact with the material constituting the bottom wall.
  • the bottom wall and the upper wall may be made of the same material, and the pillars in another material.
  • the first wetting angle Q is the angle formed by a first liquid immersed in a second liquid, in contact with the material constituting the pillars; and the second wetting angle ⁇ 2 is the angle formed by said first liquid immersed in said second liquid, in contact with the material constituting the bottom wall and the upper wall.

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Abstract

L' invention porte sur un dispositif microfluidique d' extraction (1) d' analytes d' intérêt d' un liquide porteur (P) dans un liquide solvant (S), les deux liquides (P, S) formant une interface (2) entre des micro-piliers (32) d' une chambre d' extraction (30). Selon l' invention, le liquide porteur (P) forme un angle de mouillage Θ1 sur les micro-piliers (32) et la paroi inférieure (11) de la chambre d' extraction d' une part, et un angle de mouillage Θ2 sur la paroi supérieure (21) d' autre part, lesdits angles de mouillage vérifiant la relation 45°≤ (Θ1+Θ2) /2 ≤135°.

Description

DISPOSITIF MICROFLUIDIQUE D'EXTRACTION A INTERFACE LIQUIDE-LIQUIDE STABILISEE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine général de la microfluidique et porte sur un dispositif microfluidique d'extraction liquide - liquide d' analytes d' intérêt .
L' extraction des analytes d' intérêt est réalisée dans une chambre d' extraction du micro-dispositif dans laquelle les deux liquides circulent, séparés l'un de 1' autre par des micro-piliers disposés parallèlement aux écoulements .
Les analytes d' intérêt peuvent être des particules chimiques et/ou biologiques, telles que des macromolécules, des cellules, des organites, des pathogènes , voire des agents intercalants .
Le dispositif microfluidique d' extraction trouve une application notamment dans les biotechnologies, la chimie et les sciences de l'environnement.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans de nombreux domaines industriels , on cherche à analyser des échantillons liquides, dans le but notamment de déterminer la concentration en analytes qu'ils peuvent éventuellement contenir.
Cf est le cas par exemple du domaine du diagnostic , du suivi agroalimentaire ou de la surveillance de l'environnement. Les étapes d' analyse peuvent nécessiter, préalablement à la détection des analytes et à la mesure de leur concentration, de transférer lesdits analytes d' intérêt d' un liquide porteur vers un solvant liquide pour obtenir une concentration élevée d' analytes dans le solvant liquide. Cela permet d' augmenter l' efficacité et la précision de la détection desdits analytes par les moyens d' analyse courants .
Pour cela, il est connu d' utiliser un dispositif microfluidique d'extraction liquide-liquide, tel que décrit notamment dans l'article de Berthier et al. intitulé « The physïcs of a coflow micro-extractor : Interface stability and optimal extraction length » , 2009, Sensor. Actuator. A 149, 56-64.
Comme le montrent les figures 1 et 2, un tel micro-extracteur 1 comporte une chambre d' extraction 30 formée de deux zones de transfert 31A, 31B séparées 1' une de l' autre dans le sens longitudinal par une pluralité de micro-piliers 32. Le sens longitudinal coïncide avec le sens d' écoulement des liquides dans la chambre d'extraction. Il correspond à la direction selon laquelle s' étend l' interface entre les deux liquides .
La chambre d' extraction 30 est délimitée par des parois inférieure, supérieure et latérales. Les micropiliers 32 sont alignés dans le sens longitudinal et s' étendent chacun entre les parois inférieure et supérieure .
Chaque zone de transfert 31A, 31B communique avec un microcanal 40A, 40B qui assure la circulation fluidique de deux liquides dans la chambre d' extraction 30 suivant le sens longitudinal de celle-ci .
Le liquide porteur P d' analytes d' intérêt circule au sein de la première zone de transfert 31A, et le solvant liquide S circule dans la seconde zone de transfert 31B.
Selon l' article cité plus haut, le liquide porteur P est de l' eau ou une solution aqueuse, et le solvant liquide S est une solution organique. Les deux liquides sont non miscibles l'un avec 1/ autre.
Les analytes d' intérêt peuvent être des particules chimiques et/ou biologiques, telles que des macromolécules, des cellules, des organites , des pathogènes, voire des agents intercalants.
U interface du liquide porteur P avec le solvant liquide S est située entre chaque micro-pilier 32 et s' étend entre les parois inférieure et supérieure. Plus précisément , le liquide porteur P forme une pluralité d' interfaces avec le solvant liquide S, qui sont chacune au contact de deux micro-piliers 32 adjacents et des parois inférieure et supérieure.
Les analytes d' intérêt diffusent au travers des interfaces, du liquide porteur vers le solvant liquide, et se lient, par exemple à des ligands de sorte qu' ils ne puissent revenir dans le liquide porteur, ou, par exemple du fait d'une meilleure solubilité dans le solvant .
Cependant, le fonctionnement d' un tel microextracteur nécessite de maintenir stables les interfaces du liquide porteur avec le solvant liquide, c' est-à-dire de les maintenir, lors de la circulation des liquides, au contact des micro-piliers et des parois supérieure et inférieure.
Les interfaces sont notamment soumises à des forces capillaires de mouillage du fait du contact des fluides considérés avec les micro- iliers et lesdites parois , lors de leur circulation .
Or, il a été observé que la valeur des angles de mouillage du liquide porteur sur le matériau constituant les micro-piliers et sur le matériau constituant les parois inférieure et supérieure peut avoir une influence déterminante sur la stabilité de 11 écoulement .
Ainsi , lorsqu'un premier liquide (par exemple le liquide porteur) présente un angle de mouillage trop élevé (notamment supérieur à 165° voire 170° ) avec 1 ' un des matériaux constituant le dispositif ( la paroi supérieure , paroi inférieure ou piliers) , 1 ' interface n'est pas stable. Cela provoque l'envahissement, par ledit premier liquide , de la zone occupée par le second liquide (par exemple le solvant) .
Cette rupture de l' interface du premier liquide, du fait des forces capillaires de mouillage , peut donc entraîner une dégradation importante de efficacité d' extraction du micro-extracteur, voire un blocage du dispositif .
EXPOSÉ DE L'INVENTION
1/ invention a pour but de présenter un dispositif microfluidique d' extraction d' analytes d' intérêt d' un liquide porteur dans un liquide solvant , dont lf interface du liquide porteur avec le solvant liquide présente une stabilité améliorée par rapport à la réalisation de l'art antérieur mentionné précédemment.
Pour ce faire, l' invention a pour objet un dispositif microfluidique d' extraction d' analytes d' intérêt d' un liquide porteur aqueux dans un solvant liquide non miscible avec le liquide porteur, comportant une chambre d' extraction délimitée par des parois inférieure, supérieure et latérales, et formée d' une première et df une seconde zones de transfert formant, respectivement, une partie d' un premier microcanal et d' un second microcanal et étant séparées 1' une de l' autre dans le sens longitudinal par une pluralité de micro-piliers s' étendant entre lesdites parois inférieure et supérieure, ledit dispositif comportant des moyens pour assurer une circulation dans lesdits microcanaux du liquide porteur avec un débit non nul Dl et du solvant liquide avec un débit non nul D2 , avec D1/D2 > 1, ladite première zone de transfert contenant ledit liquide porteur et ladite seconde zone de transfert contenant ledit solvant liquide, ledit solvant liquide formant avec ledit liquide porteur une pluralité d' interfaces dont chacune s' étend entre deux micro-piliers adjacents et lesdites parois inférieure et supérieure, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le liquide porteur baignant dans le solvant liquide et formant, au contact d' un premier matériau constituant les micro-piliers et la paroi inférieure, un premier angle de mouillage Θ1, et, au contact d' un second matériau constituant la paroi supérieure, un deuxième angle, de mouillage Θ2, lesdits liquides et lesdits matériaux sont choisis de sorte à satisfaire la relation : 9min < (θ1+θ2)/2 < 9max avec θιηίη > 45° et 9max ≤ 135°. On voit alors que la moyenne des angles Θ1 et 92 de mouillage précédemment définis doit être comprise entre deux angles limites θ,ηιη et 9max.
D'une façon générale, il est possible de considérer 9min > 45°et 9max ≤ 135°, ce qui définit une première plage dans laquelle la moyenne des angles de mouillage θχ et θ2 peut évoluer. De façon préférentielle, on définit une deuxième plage plus restreinte, comprise entre des angles limites 9min et 9raax tels que 9min > 70°et 9raax≤ 110°.
Les inventeurs se sont aperçus que plus a se rapproche de 0°, (donc lorsque la moyenne des angles de mouillage θχ et 92 définis ci-dessus se rapproche des angles limites 45° ou 135°) , plus la variation de pression de part et d'autre de l'interface doit être maîtrisée, et inférieure à une variation de pression critique APmax, décrite ultérieurement.
Autrement dit, plus les angles de mouillage d'un des deux liquides avec le matériau constituant les piliers ( θ ) et la paroi supérieure (92) se rapprochent des valeurs limites de 45° ou 135°, plus l'équilibre de l'interface sera fragile, et sensible à la moindre fluctuation de la variation de pression de part et d'autre de l'interface.
De préférence, les angles de mouillage θ1 et θ2 sont supérieurs à 10° voire 15° et inférieurs à 170°, voire 165° afin d' éviter l' apparition d'un film de contact avec l'un des matériaux constituant le dispositif .
Afin de réduire les risques d'une instabilité de 1 ' interface due aux fluctuations de la variation de pression de part et d ' autre de 1 ' interface , il est préférable que a soit compris entre 25° et 45°. Ainsi , les angles de mouillage précédemment définis sont contenus dans une plage angulaire restreinte dont les valeurs limites 9min et 9max sont telles que 9min > 70°et emax≤ 120° .
Une telle plage angulaire restreinte permet par exemple une bonne stabilité de 1 ' interface, en étant relativement insensible aux fluctuations de pression de part et d ' autre de 1 ' interface . Cette gamme peut, par exemple , être obtenue en utilisant les matériaux et liquides suivants :
- premier liquide : solution aqueuse
- deuxième liquide : liquide ionique , par exemple du [BMP] , [NTf;?] ( 1 -butyl- lméthylpyrrolidinium bis- ( trifluorométhane suifonamidure) .
- matériau constituant les piliers ainsi que la paroi inférieure : Si02
- matériau constituant la face supérieure : Verre , par exemple du Pyre .
On comprend que dans le mesure du possible , on a intérêt à ce que la moyenne des angles de mouillage Qx et θ2 se rapproche le plus possible de 90° .
Par liquide porteur, on entend un liquide contenant des analytes d'intérêt.
Par solvant liquide , on entend un liquide apte à recevoir et à garder les analytes d' intérêt initialement contenus dans le liquide porteur . Le sens longitudinal coïncide avec la direction selon laquelle sf étend l' interface entre le liquide porteur et le solvant liquide . Lorsque le liquide porteur et éventuellement le solvant liquide sont en écoulement , le sens longitudinal coïncide avec le sens d' écoulement du ou des liquide (s) . Le sens longitudinal est compris dans un plan sensiblement orthogonal aux parois inférieure et supérieure .
Avantageusement , les largeurs wl , w2 respectives desdites zones de transfert sont choisies de manière à vérifier la relation : )
où ηί est la viscosité dynamique du liquide considéré , et ξ{αί) est un coefficient traduisant la friction à laquelle est soumis le liquide traversant le canal . Plus un canal est étroit , plus ce coefficient est élevé . Pour les applications visées , ce facteur est généralement compris entre 1 et 5. Dans le cas d 1 un canal de section rectangulaire , on a :
2[(l / 3) - (64a,. / 7z-5) tanh(
avec «, - mm où wt est la largeur du canal i et H
est la hauteur des canaux, I et D2 sont respectivement les débits du liquide porteur et du solvant liquide . Ainsi, la différence de pression dynamique entre le liquide porteur et le solvant liquide dans la chambre d' extraction est constante suivant le sens longitudinal de celle-ci. Il n' y a pas de risque qu' il y ait une zone de la chambre d' extraction dans laquelle la différence de pression dépasse une valeur seuil APmax au-delà de laquelle l' interface est susceptible de rompre . Cette valeur seuil peut être le saut de pression capillaire 2γ/δ, où y est la tension de surface du solvant liquide en contact avec le liquide porteur, et δ est l' espacement moyen entre deux micropiliers adj acents . On obtient ainsi une chambre d' extraction dans laquelle les interfaces sont stables en tout point vis-à-vis des contraintes normales de pression. La chambre d' extraction peut donc être d'une grande longueur utile de transfert .
Avantageusement , le dispositif microfluidique d' extraction comporte des moyens adaptés à imposer, en amont ou en aval de la chambre d' extraction, la pression statique de chacun desdits liquides , lesdites pressions statiques imposées étant sensiblement égales 1' une avec l' autre. Autrement dit, on a intérêt à maintenir une variation de pression ΔΡ, de part et d ' autre de 1 ' interface , aussi proche que possible de 0 , et, dans tous les cas , inférieure à la valeur critique APmax .
Ainsi , la différence de pression dynamique entre les deux liquides au niveau de l' une quelconque desdites interfaces est sensiblement nulle , donc strictement inférieure à la valeur seuil capillaire 2γ/δ.
Le dispositif microfluidique d' extraction selon 1' invention peut être realise a partir de deux substrats . Un substrat inférieur et un substrat supérieur, lesdits micro-piliers et ladite paroi inférieure étant réalisés au sein dudit substrat inférieur tandis que ladite paroi supérieure est formée par ledit substrat supérieur .
De préférence, ledit substrat inférieur est réalisé en oxyde de silicium et ledit substrat supérieur est réalisé en verre.
D' autres avantages et caractéristiques de 1' 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 1' invention, en se référant aux dessins annexés , dans lesquels :
La figure 1, déj à décrite , est une vue schématique en vue de dessus d' un dispositif microfluidique d' extraction selon un exemple de 1' art antérieur ;
La figure 2, déj à décrite , est une vue agrandie et en perspective d' une partie du dispositif microfluidique d' extraction illustré sur la figure 1 ;
La figure 3 est une représentation de 1 ' angle de mouillage Θ formé par un premier liquide Ll mouillant dans un deuxième liquide L2 , au contact de la surface d'un matériau M ;
La figure 4 est une vue schématique en perspective de la chambre d' extraction d' un dispositif microfluidique d' extraction selon le mode de réalisation préféré de l' invention ;
La figure 5 illustre une coupe transversale du dispositif microfluidique de la Fig . 4 lorsque la condition de stabilité n' est pas respectée.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ D ' UN MODE DE RÉALI SATION PRÉFÉRÉ
Sur la figure 4 est représenté un dispositif microfluidique d' extraction liquide - liquide , ou microextracteur, permettant le transfert df analytes d' intérêt d' un liquide porteur vers un solvant liquide selon le mode de réalisation préféré de l' invention .
Il est à noter que les échelles ne sont pas respectées , pour privilégier la clarté du dessin.
Dans toute la description qui va suivre , par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (X , Y, Z ) présenté sur la figure 3. La direction X est orienté suivant le sens longitudinal correspondant au sens de circulation des liquides , la direction Y est orthogonale à la direction X et la direction Z est orientée suivant la hauteur du dispositif .
Les termes « inférieur » et « supérieur » sont ici à comprendre en termes d' orientation suivant la direction Z dudit repère .
Le dispositif 1 comporte une chambre d' extraction 30 délimitée par des parois latérales, inférieure 11 et supérieure 12.
La chambre d' extraction 30 est formée d' une première et d' une seconde zones de transfert 31A, 31B séparées l' une de l' autre dans le sens longitudinal par une pluralité de micro-piliers 32.
Les micro-piliers 32 sont alignés suivant le sens longitudinal et s' étendent suivant la direction Z entre lesdites parois inférieure 11 et supérieure 21.
Ils sont de préférence cylindriques au sens général du terme , et peuvent présenter une section circulaire , oblongue , voire polygonale . De préférence , la section est polygonale , par exemple triangulaire , carrée , rectangulaire , et présente des angles vifs .
Ils présentent une hauteur moyenne H définie par la distance entre les parois inférieure 11 et supérieure 21, et une épaisseur moyenne e mesurée suivant le sens transversal .
La chambre d' extraction 30 est formée par un substrat inférieur et un substrat supérieur . Dans le substrat inférieur sont réalisées les zones de transfert 31A, 31B et les micro-piliers 32. Le substrat supérieur, ou capot , est assemblé au substrat inférieur .
Ainsi , les parois latérales , la paroi inférieure
11 , ainsi que les micro-piliers 32 , sont réalisées dans le substrat inférieur, alors que la paroi supérieure 21 est une face du substrat supérieur.
Chaque zone de transfert 31A, 31B communique avec un microcanal 40A, 40B (non représenté sur la figure 4 ) identique à celui illustré sur la figure 1. Le microcanal 40A, 40B est formé d'un conduit d'entrée 41A, 41B et d'un conduit de sortie 42A, 42B disposés respectivement en amont et en aval de la chambre d' extraction 30 (figure 1) .
Le premier microcanal 40A est connecté à des moyens 50A permettant de faire circuler un liquide ^
porteur P d' analytes d' intérêt dans la première zone de transfert 31A avec un débit non nul Dl . Le. second microcanal 40B est connecté à des moyens 50B permettant de faire circuler un solvant liquide S dans la seconde zone de transfert 31B avec un débit D2 , celui-ci pouvant être nul ( figure 1 ) .
Il est à noter que les liquides P, S peuvent circuler à co- courant ou à contre-courant .
La première zone de transfert 31A contient le liquide porteur P et la seconde zone de transfert 31B contient le solvant liquide S .
Avantageusement le solvant liquide S est ionique . Le liquide porteur P forme avec le solvant liquide S, dans la chambre d' extraction 30 , une pluralité d' interfaces 2 dont chacune s' étend entre deux micro-piliers 32 adjacents et entre les parois inférieure 11 et supérieure 21.
Pour chaque liquide considéré , en 11 occurrence le liquide porteur et le liquide solvant, des angles de mouillage θι et θ2 sur les matériaux constituant les piliers , et les surfaces inférieures ou supérieures peuvent être définis .
La figure 3 illustre particulièrement la définition d'un angle de mouillage selon l' invention. Sur cette figure , l' angle de mouillage Θ peut être défini , comme correspondant à 1 ' angle de contact qu'une goutte d'un premier liquide Ll au repos, baignant dans un second liquide L2 au repos , forme lorsqu ' elle est placée au contact d' un matériau M.
Pour la définition des angles de mouillage θι et θ2, on considère en effet que le premier liquide et le second liquide sont au repos . Les angles de mouillage ainsi définis sont alors caractéristiques des matériaux constituant le dispositif (la paroi supérieure , la paroi inférieure ou les piliers) et non des écoulements .
Si l'on considère un premier liquide (par exemple le liquide porteur) , un premier angle de mouillage θι peut être défini, correspondant à l'angle de contact qu'une goutte de ce premier liquide, baignant dans le second liquide (le liquide solvant dans cet exemple) , forme lorsqu'elle est placée au contact du matériau constituant les micro-piliers .
Selon l' invention, puisque les angles de mouillage sont définis en fonction des liquides et des matériaux, 1' angle de mouillage au niveau de la paroi inférieure 11 est sensiblement égal à celui mesuré au niveau des micro-piliers 32. Cet angle sera également noté θχ . En effet, la paroi inférieure et les micro-piliers sont réalisés dans le même matériau, puisque ils sont réalisés dans le substrat inférieur
Un second angle de mouillage θ2 est défini au niveau de la paroi supérieure 21; il correspond alors à l'angle de contact qu'une goutte du premier liquide, baignant dans le second liquide (le liquide solvant dans cet exemple), forme lorsqu'elle est placée au contact du matériau constituant la paroi supérieure.
Il est à noter que les surfaces sont dites hydrophiles lorsque l' angle de mouillage Θ tel que représenté en figure 3, est inférieur à 90° et dites hydrophobes pour un angle Θ supérieur à 90°. On comprend que l' angle de mouillage Θ peut représenter 1' angle θι dans le cas où le matériau M est le matériau du substrat inférieur, où θ2 dans le cas ou M est le matériau du substrat supérieur.
Dans le premier cas, c'est-à-dire pour Θ inférieur à 90°, le liquide considéré est dit mouillant et dans le second cas, non-mouillant . Il est à noter que l' on se situe ici dans la situation du mouillage partiel et non dans le cas du mouillage total.
Selon l'invention, le liquide porteur P, le solvant liquide S et les matériaux des micro-piliers et de la paroi supérieure ou inférieure sont choisis de sorte que les angles de mouillage Θ1 et Θ2 vérifient la relation : De préférence, les angles de mouillage θί et θ2 sont supérieurs à 10° voire 15° et inférieurs à 170°, voire 165° afin d'éviter l'apparition d'un film de contact avec l'un des matériaux constituant le dispositif (la paroi supérieure, la paroi inférieure ou les piliers) .
Ainsi, les interfaces 2 entre deux micro-piliers 32 sont stables et restent au contact des micro-piliers 32 et des parois inférieures 11 et supérieure 21.
Autrement dit, à l'interface entre les micro- piliers, un matériau constituant une paroi supérieure (ou inférieure ) , on définit :
un premier angle de mouillage θι que forme un premier liquide baignant dans le deuxième liquide, au contact du matériau constituant les piliers et la paroi inférieure ;
un deuxième angle de mouillage θ2 que forme ledit premier liquide baignant dans ledit deuxième liquide , au contact du matériau constituant la paroi supérieure ; les matériaux constituant les micro-piliers, la paroi inférieure et la paroi supérieure étant choisis tels que la condition, de stabilité est respectée : Ainsi , la moyenne des premier et deu ième angles de mouillage doit être comprise entre deux angles limites 9min et 9max, avec 9min > 45° et 9max ≤ 135°.
Naturellement , cette condition doit s ' appliquer à la fois au niveau de la paroi inférieure et au niveau de la paroi supérieure .
Si cette condition de stabilité n' est pas satisfaite , 1 ' interface 2 se déplace selon les flèches en gras représentées sur la Figure 5, ce qui peut conduire à une rupture d ' interface . Dans l'exemple de la figure 5, le premier liquide Ll envahit le demi - canal destiné à L2. Plus précisément, on a représenté en Fig . 5 une coupe transversale du dispositif microfluidique de la Fig. 4. L' interface 2 s' est ici déplacée au-delà du micro-pilier 32 et a pénétré dans la partie du micro- canal réservée à L2. Les angles de contact s i et ε 2 , qui ont été représentés résultent des conditions d ' écoulement des liquides Ln et L2 dans le dispositif. Il ne s'agit pas d'angles de mouillage (θχ ou θ2) au sens de 1 ' invention. On rappelle que dans cette description, un angle de mouillage Θ est défini comme étant 11 angle formé par une goutte d ' un premier liquide mouillant un matériau M, cette goutte baignant , au repos , dans un deuxième liquide .
Grâce à la condition précitée , on évite la formation d' un écoulement capillaire de coin (Capillar -dri ven flow in a corner, en anglais ) qui apparaît lorsque la moyenne des angles Θ1 et Θ2 dépasse des limites inférieures ou supérieures définies par la condition de Conçus - Finn . En effet , comme le montre Berthier et Silberzan dans l' ouvrage intitulé Microfluidics for biotechnology, 2010 , Artech House , une interface au contact d' une arête formée de deux surfaces de mouiHabilité différente , définies par leur angle de mouillage Θ1 et Θ2, reste au repos lorsque les angles Θ1 et Θ2 vérifient la condition de Conçus -Finn :
π/2-α< (Θ1+Θ2) /2< π/2+ où a est le demi -angle du coin . Cependant , il apparaît que \l interface 2 peut être instable lorsque la moyenne des angles Θ1 et Θ2 est proche de ces angles limites. En effet , dans de telles conditions , la stabilité ne peut-être obtenue que lorsque la variation de pression AP de part et d ' autre de 11 interface est inférieure au seuil APmax précédemment défini . La moindre fluctuation de cette variation de pression est susceptible d ' entraîner une instabilité de 1 ' interface , pouvant générer un envahissement du canal occupé par le liquide le moins mouillant par le liquide le plus mouillant .
Or, il a été observé que l' interface 2 reste stable lorsque la relation 70°< (Θ1+Θ2 ) /2 110° donnée précédemment est vérifiée . Cette plage angulaire réduite est avantageuse , car elle permet une moindre maîtrise de la variation de pression de part et d 1 autre de 1 ' interface . Ainsi , des fluctuations mineures autour de .APmax sont moins susceptibles de générer une rupture de 1 ' interface . Par conséquent , le système est plus robuste .
A titre il lustratif , lorsque les micro-piliers 32 et la paroi supérieure 21 sont en Si02, le liquide porteur P étant une solution aqueuse et le solvant S étant un solvant organique comme le cyclohexane , la moyenne des angles Θ1 et Θ2 donne 120°. Cependant, bien que ce résultat vérifie la relation de Conçus -Finn, il a été observé une rupture de l' interface lorsque la pression de part et d'autre de l'interface n'est pas suffisamment maîtrisée .
Au contraire , lorsque le solvant S est le liquide ionique BMP ( 1 -butyl - 1 -méthylpyrrolidinium) , on mesure , dans les mêmes conditions , un angle Θ1 de 970 et un angle Θ2 de 110°, ce qui donne une moyenne de 103°. Cette moyenne entre dans la plage angulaire restreinte 70°< (Θ1+Θ2 ) /2<110° . Il a été observé que l'interface 2 est ici parfaitement stable .
Par ailleurs , la pression dynamique du liquide porteur P , et éventuellement celle du solvant liquide S , diminue progressivement suivant le sens longitudinal de la chambre d'extraction 30.
Or, il a été montré dans l' article de Berthier et al. 2009 cité précédemment , que la différence de pression dynamique entre le liquide porteur P et le solvant liquide S suivant le sens longitudinal peut dépasser une valeur seuil au-delà de laquelle 1' interface se rompt .
Cette valeur seuil correspond sensiblement au saut de pression capillaire 2γ/δ, où γ est la tension de surface du liquide porteur P en contact avec le solvant liquide S, et δ est l'espacement moyen entre deux micro-piliers 32 adjacents. longueur de la chambre d' extraction 30 au-delà de laquelle la différence de pression dynamique atteint la v leur seuil . Cette longueur critique limite donc la longueur utile de transfert dans la chambre d'extraction. Pour éviter ce phénomène de longueur cri ique , les largeurs wl , w2 respectives desdites zones de transfert 31A, 31B sont choisies de manière à vérifier la relation : où ηί est la viscosité dynamique du liquide considéré , et ξ( ί) est un coefficient traduisant la friction à laquelle est soumis le liquide traversant le canal i , Plus un canal est étroit , plus ce coefficient est élevé . Pour les applications visées , ce facteur est généralement compris entre 1 et 5. Dans le cas d ' un canal de section rectangulaire , on a :
ξ(αι) =
13) - (64«. Ιπ5)tanh(,T /2a,)j
avec , comme précédemment , a. où w, est la
largeur du canal z" et H est la hauteur des canaux, D, et D2 sont respectivement les débits du liquide porteur et du solvant liquide . Ainsi, la différence de pression dynamique entre le liquide porteur P et le solvant liquide S dans la chambre d' extraction 30 est constante suivant le sens longitudinal de celle-ci.
Il n' y a donc plus de longueur limite pour laquelle la différence de pression dynamique atteint la valeur seuil capillaire et rend l'interface instable.
On obtient alors une chambre d' extraction 30 dans laquelle les interfaces 2 sont stables en tout point. La chambre d' extraction 30 peut donc être d' une grande longueur, ce qui permet d' obtenir une surface utile de transfert particulièrement importante.
De plus, il est particulièrement avantageux que la pression statique de chacun des liquides P , S soit fixée en amont ou en aval de la chambre d' extraction 30, de sorte que les pressions statiques imposées soient sensiblement égales. Ainsi, la variation de la pression étant nulle de part et d'autre de l'interface, cette dernière est très stable, et encore plus particulièrement lorsque 70 °< ( Θ1+Θ2 ) /2<110 ° .
Ainsi, la différence de pression dynamique entre les deux liquides P, S au niveau de l' une quelconque desdites interfaces 2 est donc sensiblement nulle et toujours strictement inférieure à la valeur seuil capillaire 2γ/δ.
Les pressions statiques amont ou aval peuvent être fixées par les moyens 50A, 50B adaptés à faire circuler les liquides dans les microcanaux,, par exemple des pompes pour écoulement microfluidique (figure 1) .
Le micro-extracteur 1 selon le mode de réalisation préféré de l' invention peut être réalisé de la manière suivante, comme il est décrit en partie dans 1' article de Tran et al. intitulé « Micro-extractor for liquid- liquid extraction, concentration and in-situ détection of lead » I RET- 10 : 10th International Conférence on Microreaction, AIchE 2008 pring National Meeting, 6-10 April 2008, New Orléans, USA.
Le substrat inférieur est monolithique et peut être en silicium (Si02) . Le substrat supérieur peut être en silicium ou en verre.
Les microcanaux 40A, 40B, les zones de transfert
31A, 31B formant la chambre d' extraction 30 et les micro-piliers 32 peuvent être réalisés par des techniques classiques de microtechnologies (par exemple photolithographie suivie d'une gravure) , par exemple par gravure sélective de type DRIE (« Deep Reactive Ion Etching » en anglais) .
Le procédé de gravure par DRIE du substrat inférieur pour réaliser les zones de transfert 31A, 31B et les micro-piliers 32 est identique à celui décrit dans l'article de Tran et al. mentionné précédemment.
Les surfaces des substrats inférieur et supérieur peuvent être traitées par silanisation, de manière à éventuellement modifier les angles de mouillage Θ1 et Θ2 du liquide porteur.
L' assemblage des deux substrats peut être réalisé par des techniques classiques de scellement moléculaire dans le cas silicium/silicium ou de scellement anodique dans le cas silicium/verre. Il peut aussi se faire par sérigraphie de colle.
La hauteur H de la chambre df extraction 30 peut être comprise entre ΙΟμιτι et 1mm, de préférence entre 50/um et 500μπι . La longueur peut être de quelques millimètres à quelques centimètres, par exemple être comprise entre 5mm et 10cm.
La largeur wl, w2 des zones de transfert 31A, 31B peut être comprise entre 0.5 et 10 fois la hauteur H.
Les micro-piliers 32 sont sensiblement identiques les uns aux autres. Leur hauteur est égale à la hauteur H de la chambre d' extraction 30. Leur côté ou la diagonale est comprise entre 0,02 et 1 fois la hauteur H. Par exemple, les micro-piliers 32 peuvent présenter un diamètre ou un côté de 30/xm et une hauteur de ΙΟΟμιτι.
Les micro-piliers 32 sont espacés les uns des autres d' une distance â de préférence supérieure à Ιμτη, par exemple quelques microns à quelques dizaines de microns, de préférence de l'ordre de 5 à ΙΟμιη.
Ainsi, la surface d' interface 2 est la surface utile de transfert, qui peut être de quelques millimètres carrés à quelques dizaines de millimètres carrés .
Les liquides P, S sont non miscibles l' un avec l'autre. Le liquide porteur P est avantageusement aqueux, par exemple de l' eau. Le solvant liquide S est avantageusement ionique, par exemple le [BMP] [NTf2] (1- butyl - 1 -méthylpyrrolidinium bis - ( trifluorométhane suifonamidure) ) .
Les deux liquides P, S présentent un débit Dl et
D2 tel que D1/D2 est supérieur à 1, de préférence supérieur à 10 et avantageusement supérieur à 100. Le liquide porteur P peut présenter un débit de 1 à ΙΟμΙ/min et le solvant liquide S un débit de 0.01 à 5/l/min.
Les deux liquides P, S sont choisis, de préférence, de sorte que la moyenne des angles de mouillage Θ1 et Θ2 définis précédemment vérifie la relation 70°< ( Θ1+Θ2 ) /2<110 ° .
La circulation des liquides P, S est obtenue par des pompes seringues et/ou des nanopompes électroniques telles que la Dionex Ultimate 3000.
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 .
Ainsi, la description ne décrit de manière détaillée que le mode de réalisation dans lequel les parois latérales, la paroi inférieure 11, ainsi que les micro-piliers 32 , sont réalisés dans un même matériau constituant le substrat inférieur, alors que la paroi supérieure 21 est une face du substrat supérieur réalisé dans un autre matériau .
Dans ce cas, le premier angle de mouillage θι a été décrit comme l' angle que forme un premier liquide baignant dans un deuxième liquide , au contact du matériau constituant les piliers et la paroi inférieure et le deuxième angle de mouillage θ2 comme 1' angle que forme ledit premier liquide baignant dans ledit deuxième liquide , au contact du matériau constituant la paroi supérieure .
On comprendra, sans sortir du cadre de la présente invention que les parois latérales , la paroi supérieure 11 , ainsi que les micro-piliers , peuvent selon une première variante du mode de réalisation décrit , être réalisés dans un même matériau constituant le substrat inférieur , alors que la paroi inférieure est une face du substrat supérieur réalisé dans un autre matériau . Selon cette première variante, le premier angle de mouillage θι est l' angle que forme un premier liquide baignant dans un deuxième liquide, au contact du matériau constituant les piliers et la paroi supérieure ; et le deuxième angle de mouillage θ2 est 1' angle que forme ledit premier liquide baignant dans ledit deuxième liquide, au contact du matériau constituant la paroi inférieure.
Dans une seconde variante du mode de réalisation décrit, la paroi inférieure et la paroi supérieure pourront être réalisées dans un même matériau, et les piliers dans autre matériau.
Selon cette seconde variante, le premier angle de mouillage Q est l' angle que forme un premier liquide baignant dans un deuxième liquide, au contact du matériau constituant les piliers; et le deuxième angle de mouillage θ2 est l' angle que forme ledit premier liquide baignant dans ledit deuxième liquide, au contact du matériau constituant la paroi inférieure et la paroi supérieure.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif microfluidique d' extraction (1) d' analytes d' intérêt d' un liquide porteur (P) dans un solvant liquide (S) non miscible avec le liquide porteur (P) , comportant une chambre d' extraction (30) délimitée par des parois inférieure (11), supérieure (21) et latérales, et formée d' une première et d' une seconde zones de transfert (31A, 31B) formant, respectivement, une partie d' un premier microcanal (40A) et d' un second microcanal (40B) et étant séparées 1' une de l' autre dans le sens longitudinal par une pluralité de micro-piliers (32) s' étendant entre lesdites parois inférieure (11) et supérieure (21) , ledit dispositif comportant des moyens (50A, 50B) pour assurer une circulation dans lesdits microcanaux (40A, 40B) du liquide porteur (P) et du solvant liquide (S) , ladite première zone de transfert (31A) contenant ledit liquide porteur (P) et ladite seconde zone de transfert (31B) contenant ledit solvant liquide (S) , ledit solvant liquide (S) formant avec ledit liquide porteur (P) une pluralité d' interfaces (2) dont chacune s' étend entre deux micro-piliers (32) adjacents et lesdites parois inférieure (11) et supérieure (21) ,
ledit dispositif étant caractérisé en ce que le liquide porteur (P) baignant dans le solvant liquide (S) et formant, au contact d' un premier matériau constituant les micro-piliers ( 32 ) , un premier angle de mouillage Θ1 , et , au contact d'un second matériau constituant la paroi supérieure (21) ou la paroi inférieure (11) , un deuxième angle de mouillage Θ2 , lesdits liquides et lesdits matériaux sont choisis de sorte à satisfaire la relation
6min < (θ1+θ2)/2 < 9max avec θιηίη > 45° et Gmax ≤ 135°.
2. Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon la revendication 1, tel que
9min > 70° et 9max < 110° .
3 . Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que le solvant (S) est ionique .
4. Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon l' une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le liquide porteur ( P) est aqueu .
5. Dispositif microfluidique d' extraction ( 1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (50A, 50B) pour assurer une circulation dans lesdits microcanaux (40A, 40B) assurent une circulation du liquide porteur (P) avec un débit Dl non nul , et du solvant liquide (S) avec un débit D2 non nul , avec D1/D2 > 1.
6. Dispositif microfluidique d' extraction ( 1 ) selon la revendication 5 , caractérisé en ce que les largeurs wl , w2 respectives desdites zones de transfert (31A, 31B) sont choisies de manière à vérifier la relation 1 3' ξ( ι)= 2 3 2 ξ( .,) où ηί est la viscosité dynamique du liquide i considéré, ζ( ,) est un coefficient traduisant la friction à laquelle est soumis le liquide traversant le canal , étant compris entre 1 et 5, et D],D2 sont respectivement les débits du liquide porteur (P) et du solvant liquide (S) .
7 . Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé qu' il comporte des moyens (50A, 50B) adaptés à imposer, en amont ou en aval de la chambre d'extraction (30), la pression statique de chacun desdits liquides (P, S) , lesdites pressions statiques imposées étant sensiblement égales.
8 . Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon l' une quelconque des revendications précédentes , caractérisé en ce qu' il comporte un substrat inférieur et un substrat supérieur, lesdits micro-piliers (32) et ladite paroi inférieure (11) étant réalisés au sein dudit substrat inférieur et ladite paroi supérieure (21) étant formée par ledit substrat supérieur.
9 . Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit substrat inférieur est réalisé en oxyde de silicium et ledit substrat supérieur est réalisé en verre.
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