FR2853263A1 - Dispositif microfluide comportant une membrane magnetique destinee a osciller sous l'action d'un champ magnetique - Google Patents
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Abstract
Un dispositif microfluidique (1) comporte au moins une membrane magnétique (7) constituée par une matrice organique dans laquelle des particules magnétiques sont dispersées. Le dispositif microfluidique (1) comporte également des moyens de production d'un champ magnétique destiné à déformer périodiquement ladite membrane magnétique (7). Les moyens de production d'un champ magnétique sont, de préférence, constitués par une bobine (8) alimentée par une tension alternative ou pulsée. La membrane magnétique (7) comporte une première extrémité solidaire d'une paroi du dispositif microfluidique (1) et une seconde extrémité libre immergée dans au moins un fluide (3).
Description
Dispositif microfluidique comportant une membrane magnétique destinée
à osciller sous l'action d'un champ magnétique.
Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif microfluidique comportant au moins une membrane magnétique comportant une matrice organique et des moyens de production d'un champ magnétique destiné à déformer périodiquement ladite 10 membrane magnétique.
État de la technique Les microlaboratoires ou dispositifs microfluidiques, plus connus sous les noms anglo-saxons de " p,-TAS " (micro Total Analysis System) ou de " Lab-on-achip >, sont utilisés pour réaliser des opérations chimiques ou biologiques, sur des échantillons de très petits volumes, notamment pour réaliser des réactions chimiques ou des analyses biologiques. Il est courant d'utiliser, dans les 20 dispositifs microfluidiques, des micro-mélangeurs pour mélanger des constituants liquides ou des micro-pompes pour agiter des particules en suspension dans un fluide porteur, des micro-vannes pour contrôler les écoulements de fluide.
Pour les dispositifs microfluidiques utilisés dans le domaine de la biologie, il est généralement nécessaire d'agiter le fluide porteur comportant des particules à analyser car la seule agitation due à la diffusion thermique n'est pas suffisante pour qu'une sonde préalablement fixée à une paroi du dispositif microfluidique puisse capturer, avec un rendement suffisant, les particules en suspension.
De même, pour les dispositifs microfluidiques utilisés pour réaliser des réactions chimiques, il est important d'obtenir un mélange homogène et rapide des réactifs et le phénomène de diffusion ne permet pas, à lui seul, d'obtenir un mélange efficace. En effet, dans des micro-canaux ayant un diamètre de 5 quelques centaines de micromètres, les écoulements sont totalement laminaires, sans turbulence ni instabilité et le mélange par diffusion reste lent par rapport au phénomène de convection ayant lieu le long des parois des micro-canaux. Ainsi, il est nécessaire d'utiliser des moyens d'agitation mécanique.
Pour favoriser un mélange par exemple, il est connu d'utiliser soit des micromélangeurs passifs qui, de par leur structure, créent une perturbation de l'écoulement, soit des micro-mélangeurs actifs. Les micromélangeurs sont dits actifs lorsqu'ils comportent des parties mobiles ou bien lorsqu'une force 15 extérieure telle que celle créée par un champ électrique ou une pression, leur est appliquée. Ces systèmes sont, cependant, difficiles à mettre en oeuvre car leur fabrication nécessite un grand nombre d'étapes utilisant des techniques de microtechnologie. De plus, l'efficacité de mélange, notamment pour les micromélangeurs passifs, est généralement limitée.
Dans l'article " Prototype microvalve using a new magnetic microactuator " (Part of SPIE Conference on Microfluidic Devices and Systems, Santa Clara, California, Sept. 1998, SPIE vol 3515), D. J. Sadler et al. décrivent une microvanne actionnée par l'action d'un champ magnétique externe. La micro-vanne 25 est constituée d'une membrane en silicone recouverte par un dépôt d'un alliage Ni/Fe aussi appelé " permalloy ". La membrane libère l'ouverture d'un canal lorsqu'elle est soumise à un champ magnétique externe. Cependant la membrane a un mouvement limité par son attraction ou non pour un aimant ou un électro-aimant et la micro-vanne reste complexe à fabriquer car elle nécessite d'utiliser les techniques de microtechnologie sur silicium.
Dans l'article <" Micro magnetic silicone elastomer membrane actuator " 5 (Sensors and Actuators, A 89, 2001, pages 259 à 266), M. Khoo et al. décrivent une membrane en PDMS (Poly-diméthyl-siloxane), solidarisée par ses deux extrémités à un substrat en silicium. Des micro-plaquettes de " permalloy " sont noyées dans une partie localisée de la membrane, de manière à déformer la membrane lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué. La membrane 10 peut, ainsi, passer d'une position de repos dans laquelle elle est plane, à une position de torsion, lors de l'application du champ magnétique. La réalisation d'une telle membrane est, cependant, longue et fastidieuse car elle nécessite l'inclusion et la disposition des micro-plaquettes de permalloy.
Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, de réaliser un dispositif microfluidique facile à mettre en oeuvre et 20 capable, notamment, d'agiter un fluide ou de mélanger plusieurs fluides, de manière efficace.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que des particules magnétiques sont dispersées dans la matrice organique, et que la membrane magnétique 25 comporte une première extrémité solidaire d'une paroi du dispositif microfluidique et une seconde extrémité libre immergée dans au moins un fluide.
Selon un développement de l'invention, le champ magnétique est alternatif ou pulsé, de manière à faire osciller l'extrémité libre de la membrane magnétique.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la matrice organique est en poly5 diméthyl-siloxane.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif microfluidique comporte une micro-chambre contenant ledit fluide, la paroi du dispositif microfluidique étant constituée par une première paroi de la micro-chambre. 10 Selon un autre développement de l'invention, le dispositif microfluidique comporte une zone d'intersection comportant au moins deux entrées et une sortie, la paroi du dispositif microfluidique étant constituée par une paroi de ladite zone d'intersection et la membrane magnétique étant disposée de 15 manière à mettre alternativement en communication une des deux entrées avec la sortie.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique, en perspective, d'un premier mode de réalisation d'un dispositif microfluidique selon l'invention.
La figure 2 est une représentation schématique, en vue de dessus, d'un seconde mode de réalisation d'un dispositif microfluidique selon l'invention.
Description de modes particuliers de réalisation.
Un dispositif microfluidique selon l'invention comporte une membrane magnétique et des moyens de production d'un champ magnétique, ledit champ 5 magnétique permettant de déformer périodiquement la membrane. La membrane magnétique est constituée par une matrice organique dans laquelle sont dispersées des particules magnétiques et elle comporte une première extrémité solidaire d'une paroi du dispositif et une seconde extrémité libre immergée dans au moins un fluide contenu dans le dispositif microfluidique. Le 10 champ magnétique est, de préférence, alternatif ou pulsé, de manière à faire osciller l'extrémité libre de la membrane magnétique. Ainsi, les moyens de production du champ magnétique peuvent comporter une bobine électromagnétique alimentée par une tension alternative ou pulsée.
La membrane magnétique peut être paramagnétique ou ferromagnétique et les particules magnétiques sont dispersées, de manière uniforme, dans une matrice organique qui est, de préférence, en poly-diméthyl-siloxane (PDMS) . L'utilisation d'une matrice organique en PDMS permet de réaliser facilement et rapidement la membrane magnétique et la rend biocompatible avec les fluides susceptibles 20 d'être contenus dans le dispositif. En effet, les particules magnétiques de la membrane sont noyées dans la matrice organique en PDMS de sorte qu'elles ne puissent pas être en contact les fluides susceptibles d'être contenus dans le dispositif microfluidique.
Pour une membrane paramagnétique, les particules magnétiques peuvent être constituées par des particules paramagnétiques, telles que la magnétite ou la maghémite. Une membrane paramagnétique en PDMS est, de préférence, réalisée en mélangeant des particules paramagnétiques avec une solution liquide de monomères et d'agents polymérisant le PDMS, puis en étalant le mélange visqueux sur un support plan et en polymérisant le monomère, soit à température ambiante pendant au moins vingt-quatre heures, soit à une température plus élevée pendant quelques heures. Les particules paramagnétiques ont une taille inférieure à quelques micromètres.
Les particules paramagnétiques peuvent être remplacées par des particules magnétiques initialement contenues dans un ferrofluide puis incorporées dans la matrice organique. Par ferrofluide, on entend une suspension aqueuse dans laquelle des particules magnétiques de quelques nanomètres sont séparés par 10 des charges électriques. La membrane magnétique peut contenir un ferrofluide tel que ceux décrits dans le document GB-2244987. Les particules étant orientées de manière aléatoire, le comportement de la membrane reste paramagnétique même lorsque les particules magnétiques sont ferromagnétiques.
Une membrane ferromagnétique est, de préférence, réalisée en mélangeant des particules ferromagnétiques de quelques nanomètres telles que de la ferrite dure, avec une solution liquide comportant des monomères et des agents polymérisant le PDMS. La proportion en poids de particules ferromagnétiques 20 par rapport au poids du monomère liquide est, par exemple, compris entre 1 pour 4 et 1 pour 2. Le mélange ainsi obtenu est ensuite disposé et étalé entre deux plaques de verre, sur une épaisseur de 160 micromètres par exemple. Un champ magnétique externe est, alors, imposé perpendiculairement au plan des plaques de verre, de manière à orienter les particules ferromagnétiques dans la 25 direction du champ magnétique. Puis, le mélange est polymérisé pendant au moins 48 heures, en présence du champ magnétique, avant que la membrane ne soit extraite de son support.
L'aimantation rémanente des particules ferromagnétiques est, généralement augmentée par ré-aimantation de la membrane, en appliquant un second champ magnétique intense, dirigé perpendiculairement au plan de la membrane. Ainsi, une telle membrane présente l'avantage d'être ferromagnétique et donc de 5 pouvoir subir des forces magnétiques attractives et répulsives suivant la direction du champ magnétique externe appliqué. Le moment rémanent d'une telle membrane est de l'ordre de 1000 Gauss (1 Gauss valant 0,1 T) et le champ coercitif est de l'ordre de 4500 Oe (ou A/m).
Dans un premier mode de réalisation représenté à la figure 1, le dispositif microfluidique 1 comporte une micro-chambre 2 disposée dans un microcomposant (non représenté) et contenant un fluide 3 porteur de particules, aussi appelées cibles 4 telles que des segments d'ADN, des protéines, des anticorps, des cellules ou des antigènes. La micro-chambre 2 étant de forme 15 parallélépipédique, elle comporte quatre parois latérales opposées deux à deux et des première et seconde parois 5 et 6 opposées et formant respectivement le capot et le fond de la microchambre 2.
Une membrane magnétique 7, de préférence ferromagnétique et en PDMS, est 20 disposée à l'intérieur de la micro-chambre 2 et une de ses extrémités est solidaire de la première paroi 5 de la micro-chambre 2 qui est formée, sur la figure 1, par une plaque en poly-diméthyl-siloxane (PDMS). Le fait d'utiliser le même matériau pour la membrane magnétique et pour la paroi sur laquelle est fixée la membrane permet de réaliser simplement et rapidement la fixation de la 25 membrane magnétique. La membrane magnétique est préparée au préalable puis elle est incorporée lors de la polymérisation de la paroi. De cette manière, l'ensemble obtenu est parfaitement soudé. La seconde paroi 6 opposée à la première paroi 5 comporte une zone de lecture 9 dans laquelle sont disposées plusieurs sondes 10 destinées à capturer les cibles 4 contenues dans le fluide 3.
Une bobine 8 alimentée, de préférence, par une tension alternative ou puisée, est disposée à l'extérieur du micro-composant, au-dessus de la plaque formant la première paroi 5 et au niveau de la membrane magnétique 7. La bobine 8 est destinée à créer un champ magnétique déformant périodiquement la membrane 5 magnétique 7. De plus, La tension alternative ou pulsée alimentant la bobine 8 permet de créer un champ magnétique alternatif ou pulsé qui fait osciller l'extrémité libre de la membrane magnétique. Ainsi, sous l'effet du champ magnétique alternatif ou pulsé, la membrane magnétique 7 peut se déplacer entre des première et seconde positions représentées respectivement en trait 10 plein et en pointillés sur la figure 1. Le mouvement de la membrane magnétique 7 permet d'agiter le fluide 3 contenu dans la micro-chambre 2 et donc de déplacer les cibles 4.
Une telle agitation est particulièrement intéressante dans des applications 15 biotechnologiques, par exemple pour le diagnostique. En effet, en l'absence d'agitation, la durée de capture des cibles est assez longue car les cibles ne se rapprochent des sondes 9 que par le seul phénomène de diffusion moléculaire.
Par contre, lorsque le fluide est agité par la membrane magnétique 7, les cibles se déplacent plus rapidement et la durée de capture est réduite. La membrane 20 magnétique joue, ainsi, le rôle d'un micro-mélangeur. De plus, les moyens de production du champ magnétique sont simples à réaliser et le fait qu'ils soient disposés à l'extérieur du micro- composant permet de les récupérer et de les changer facilement. Il est, également, possible de faire varier la fréquence de la tension appliquée à la bobine, de manière à obtenir une meilleure efficacité 25 d'agitation ou de mélange.
Dans un second mode de réalisation, un dispositif microfluidique 1 destiné à mélanger au moins deux fluides comporte une zone d'intersection 11 disposé dans un micro-composant (non représenté). La zone d'intersection 11, en forme de T sur la figure 2, comporte deux entrées respectivement connectées à des premier et second micro-canaux 12a et 12b et une sortie connectée à un troisième micro-canal 13. Sur la figure 2, les premier et second micro-canaux 12a et 12b et la zone d'intersection 11 ont une paroi commune 14. Des premier 5 et second fluides sont respectivement destinés à circuler dans les premier et second micro- canaux 12a et 12b en direction de la zone d'intersection 11, de manière à être mélangés ensemble dans le troisième micro-canal 13.
Une membrane magnétique 7, de préférence ferromagnétique, est solidaire 10 d'une paroi de la zone d'intersection i1, et plus particulièrement de la paroi 14 commune à la zone d'intersection 11 et aux premier et second micro-canaux 12a et 12b. Une bobine 8 alimentée par une tension, de préférence alternative ou pulsée, est disposée à l'extérieur du microcomposant de manière à appliquer un champ magnétique perpendiculaire à la paroi 14, au niveau de la 15 zone d'intersection i1.
Ainsi, la variation du champ magnétique permet de faire osciller l'extrémité libre de la membrane magnétique 7 entre des première et seconde positions, respectivement représentées en trait plein et en pointillés sur la figure 2. Les 20 première et seconde positions permettent, respectivement et périodiquement, de mettre en communication les deux entrées, et donc les premier et second micro-canaux 12a et 12b, avec la sortie. L'oscillation de la membrane 7 facilite le passage périodique de chaque fluide vers le troisième micro-canal 13 et elle crée une agitation qui favorise le mélange. La membrane magnétique joue, 25 ainsi, le rôle d'un micro-mélangeur. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas d'une réaction chimique entre deux fluides porteurs d'espèces chimiques réactives.
Un dispositif microfluidique selon l'invention présente l'avantage d'agiter un fluide ou de mélanger plusieurs fluides, de manière efficace et peu coûteuse. En effet, les matériaux utilisés pour réaliser la membrane sont peu onéreux et la fabrication d'une telle membrane ne nécessite pas une instrumentation 5 coûteuse et complexe. Enfin, l'activation magnétique ne dégage pas de chaleur dans le dispositif microfluidique.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi, la membrane magnétique peut être solidaire d'une paroi d'un microcanal, de 10 manière à favoriser la circulation d'un fluide à travers celui-ci. De plus, le dispositif microfluidique peut comporter une pluralité de membranes magnétiques capables de se déformer de façon synchronisée.
Claims (14)
1. Dispositif microfluidique comportant au moins une membrane magnétique (7) comportant une matrice organique et des moyens de production d'un champ 5 magnétique destiné à déformer périodiquement ladite membrane magnétique (7), caractérisé en ce que des particules magnétiques sont dispersées dans la matrice organique, et en ce que la membrane magnétique (7) comporte une première extrémité solidaire d'une paroi du dispositif microfluidique et une seconde extrémité libre immergée dans au moins un fluide (3). 10
2. Dispositif microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est alternatif ou pulsé, de manière à faire osciller l'extrémité libre de la membrane magnétique (7).
3. Dispositif microfluidique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de production du champ magnétique comportent une bobine (8) électromagnétique alimentée par une tension alternative ou pulsée.
4. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 20 caractérisé en ce que la matrice organique est en poly-diméthylsiloxane.
5. Dispositif microfluidique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi du dispositif microfluidique (1) est en poly-diméthylsiloxane.
6. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la membrane magnétique (7) est paramagnétique.
7. Dispositif microfluidique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les particules magnétiques sont en magnétite ou en maghémite.
8. Dispositif microfluidique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les particules magnétiques sont initialement contenues dans un ferrofluide puis elles sont incorporées dans la matrice organique.
9. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la membrane magnétique (7) est ferromagnétique.
10. Dispositif microfluidique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les particules magnétiques sont en ferrite.
11. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une micro-chambre (2) contenant ledit fluide (3), la paroi du dispositif microfluidique (7) étant constituée par une première paroi (5) de la micro-chambre (2).
12. Dispositif microfluidique selon la revendication 1 1, caractérisée en ce qu'une seconde paroi (6) opposée à la première paroi (5) comporte au moins une sonde (10) destinée à capturer des particules (4) contenues dans le fluide (3).
13. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un micro-canal contenant ledit fluide, la paroi du dispositif microfluidique (1) étant constituée par une paroi du microcanal.
14. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une zone d'intersection (11) comportant au moins deux entrées et une sortie, la paroi du dispositif microfluidique (1) étant constituée par une paroi (14) de ladite zone d'intersection (11) et la membrane magnétique (7) étant disposée de manière à mettre alternativement en communication une des deux entrées avec la sortie.
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