FR2863117A1 - Microsysteme pour le deplacement de fluide - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un microsystème pour le déplacement de fluide, le microsystème comprenant un microconduit (1) contenant au moins un fluide et des moyens pour établir un déplacement primaire du fluide entre une entrée (En) et une sortie (So) du microconduit (1), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens magnéto-hydro-dynamiques (5) pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide. L'invention s'applique, entre autres, au domaine de la microfluidique pour le mélange de fluides et pour le balayage de particules à la surface de réacteurs.

Description

MICROSYSTEME POUR LE DEPLACEMENT DE FLUIDE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR
La présente invention concerne un microsystème pour le déplacement de fluide.
L'invention s'applique au domaine de la microfluidique. La microfluidique a pour but d'assurer de nombreuses fonctions dans la gestion des petits volumes de liquide: introduction et mélange de fluides dans les microsystèmes, déplacement ou immobilisation de fluides dans les microréacteurs, mélange ou ségrégation de plusieurs phases, balayage de la surface de biopuces par des particules ou des molécules.
Les objectifs des différents microsystèmes concernés (microréacteurs, labopuces, biopuces, etc....) diffèrent selon que les applications concernent la chimie fine, la santé, le diagnostic, etc. Cependant, des préoccupations communes apparaissent à des degrés divers, telles que, par exemple, la miniaturisation, la maximisation du nombre d'opérations à effectuer, la portabilité, l'automatisation poussée pour réduire l'intervention humaine, l'accélération des processus d'analyse afin d'obtenir des réponses rapides, etc. Parmi les différentes fonctions assurées par la microfluidique, deux apparaissent comme essentielles: le mélange de fluides et le balayage de surfaces actives.
Le mélange des fluides et/ou des espèces moléculaires qui participent aux réactions chimiques ou biologiques facilite ces réactions. Un tel mélange s'avère nécessaire malgré la très petite taille des microsystèmes (longueur typique de 100 m). Il y a au moins deux raisons à cela.
(i) la diffusion Brownienne seule ne permet pas des mélanges suffisamment rapides, notamment pour les grosses molécules, (ii) les écoulements qui se produisent dans les microsystèmes se caractérisent par des nombres de Reynolds très bas, ce qui empêche l'apparition de turbulences.
Le balayage d'une surface active, par exemple la surface constituée par les plots d'une biopuce, par des particules ou des molécules est également une fonction essentielle. Les biopuces, dont l'objectif est de détecter différentes espèces d' analytes (brins d'ADN, protéines, bactéries, enzymes) comportent un réseau de zones spécifiques, communément appelées plots, réalisées sur une surface solide. Un type de sondes est greffé sur chacune de ces zones. La surface est alors dite active . Ces sondes interrogent , par diverses méthodes, les analytes cibles contenus dans le fluide mis en contact avec la surface. Le fluide est généralement plaqué contre la surface active par une autre surface solide parallèle et très proche (l'ordre de grandeur varie entre 10 pm et 1 mm), de sorte que la géométrie du fluide peut être considérée comme bidimensionnelle (lame fluide) avec des dimensions pouvant être importantes parallèlement aux parois (un ordre de grandeur est le cm). Dans un intervalle de temps donné, un plot actif quelconque d'une biopuce ne peut capter, grâce au mouvement Brownien, que les analytes spécifiques contenus dans une région environnant le plot. Les dimensions de cette région sont généralement faibles (commensurables avec l'épaisseur de la lame fluide recouvrant la biopuce) vis à vis des dimensions maximales de la biopuce. En d'autres termes, de nombreux analytes cibles ne peuvent être détectés. Pour que le plot actif puisse capter le maximum d'analytes, il est souhaitable que chaque parcelle de fluide, de taille, par exemple, comparable à l'épaisseur, soit amenée à recouvrir ce plot pendant un temps prédéterminé au cours d'une analyse. Le processus par lequel une particule ou une molécule introduite dans le système est conduite à passer à proximité d'un nombre maximum de plots est appelé balayage .
Les dispositifs permettant de mélanger des fluides dans un microsystème doivent respecter les deux critères suivants - ils doivent être facilement miniaturisables et intégrables dans des structures éventuellement composites (verre, silicium, plastique), et ils ne doivent pas comporter de pièces mobiles, notamment pour éviter les volumes morts qui sont sources de contamination croisée (les dispositifs mécaniques sont donc à éviter).
Au moins trois techniques permettent de concevoir des mélangeurs respectant au moins le deuxième critère. Une première technique consiste à utiliser des chicanes ou des canaux vrillés pour modifier la géométrie des structures d'écoulement, ce qui conduit alors à perturber l'écoulement du fluide. Il a été montré cependant que cette technique n'est efficace que pour des nombres de Reynolds de l'ordre de 10. Selon une deuxième technique, ce sont différents types d'émetteurs d'ondes sonores ou ultra-sonores qui sont utilisés pour perturber l'écoulement. Ici encore, cependant, les nombres de Reynolds doivent être de l'ordre de 10 pour que cette deuxième technique soit efficace. Par ailleurs, des vibrations parasites peuvent apparaître, ce qui rend cette deuxième technique très délicate à mettre en oeuvre. Une troisième technique est la Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) qui permet, grâce à la force de Lorentz, de pomper des liquides dans des microconduits (cf. brevet US. 6,146,103 Lee et al.).
La Magnéto-Hydro-dynamique offre actuellement de bonnes perspectives. La force de Lorentz est une force volumique qui se manifeste en tout point où coexistent un courant électrique et un champ magnétique. La force de Lorentz est orientée perpendiculairement à la direction de chacune de ces deux grandeurs. Dans le cas où la circulation du fluide est assurée selon l'axe du microconduit, les directions du courant électrique et du champ magnétique doivent alors être perpendiculaires aux parois du microconduit.
Pour permettre l'apparition d'un courant électrique, le liquide doit donc être conducteur, au moins faiblement, comme le sont, par exemple, les liquides biologiques.
La figure 1 représente un schéma de principe de micropompe MHD selon l'art antérieur telle que divulguée dans le brevet américain N 6 146 103. La micropompe comprend un microconduit 1 et deux aimants permanents 2 et 3. Le microconduit 1, de largeur L, a une section rectangulaire. Les aimants 2 et 3 sont placés en regard l'un de l'autre, de part et d'autre du microconduit, de manière à produire un champ magnétique uniforme Ha dans le microconduit. Des électrodes G1, G2 sont placées sur les parois latérales du microconduit 1. Une différence de potentiel est appliquée entre les électrodes G1 et G2 de façon qu'un courant I s'écoule de l'électrode G1 vers l'électrode G2 (l'alimentation électrique à laquelle les électrodes G1 et G2 sont connectées n'est pas représentée sur la figure). Le courant électrique I et le champ magnétique Ha sont perpendiculaires entre eux.
Un fluide conducteur placé dans le microconduit 1 subit une force F dont la direction est perpendiculaire à la direction du courant électrique I et à la direction du champ magnétique Ha. La force F, communément appelée force de Lorentz, provoque le mouvement du fluide. L'intensité de la force F s'écrit.
F = k x I x Ha x L, où k est un facteur de proportionnalité.
En régime permanent, la force F est équilibrée par les forces de viscosité du fluide et il en résulte un débit Q. La figure 2A représente un schéma de principe de mélangeur MHD selon l'art antérieur tel qu'il apparaît dans le brevet américain N 6 146 103. Le mélangeur MHD comprend l'ensemble des éléments constitutifs de la micropompe décrite ci-dessus en référence à la figure 1. Le mélangeur se distingue de la micropompe par le seul décalage des deux électrodes G1 et G2 selon l'axe du microconduit.
La figure 2B représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace dans le mélangeur MHD décrit en référence à la figure 2A. La densité j du courant qui s'établit entre l'électrode G1 et l'électrode G2 subit deux virages successifs dans des sens opposés. Le champ magnétique Ha est uniforme et dirigé selon une direction perpendiculaire au plan de la figure. La force de Lorentz volumique Fv (Fv étant proportionnelle à jxHa) subit en conséquence deux rotations successives et opposées. Ces deux rotations déforment les lignes de courant 4 et peuvent, éventuellement, conduire à deux tourbillons alternés, 5a et 5b. Des fluides conducteurs s'écoulant dans le microconduit 1 peuvent ainsi être mélangés et, partant, une distribution d'analytes peut être homogénéisée dans un fluide conducteur.
Le mélangeur MHD selon l'art antérieur présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, les électrodes G1 et G2 qui servent à la création du courant sont situées près des zones où le mélange des fluides s'effectue, c'est à dire près des zones réactives. Or, un phénomène d'électrolyse se déclenche très tôt sur les électrodes. Des bulles se forment, polluant l'écoulement. Le problème est d'autant plus gênant que la température est élevée comme cela a été observé par West et collaborateurs sur un microsystème MHD dédié à la duplication en chaîne d'ADN par PCR (cf. West et collaboratuers, Lab Chip 2 (2002), p. 224-230).
Le phénomène d'électrolyse présente également l'inconvénient de détériorer les électrodes, même en l'absence de bulles (cf. Zong J.H. et collaborateurs, Sensors Actuators A 96 (2002), p.59-66), et de modifier le pH du milieu. Le pH étant un paramètre auquel les substances biologiques sont très sensibles, il s'ensuit une détérioration des performances.
L'utilisation d'un courant alternatif à la place d'un courant continu a été proposé comme remède contre l'électrolyse (cf. Lemoff et Lee, Sensors Actuators B 63 (2000), p. 178-185). La fréquence du courant alternatif est alors de l'ordre du kHz. Un champ magnétique synchrone, issu d'un électroaimant doit alors être produit de sorte que la force de Lorentz pointe dans la même direction pendant tout un cycle. Il est clair que ce remède alourdit la mise en oeuvre du dispositif. Par ailleurs, si un tel système semble donner des résultats satisfaisants en ce qui concerne le transport de liquides, aucun résultat n'est donné en ce qui concerne le mélange de liquides.
Par ailleurs, de par son principe, la MHD exclut les liquides diélectriques de son champ d'application, ce qui représente encore un autre inconvénient.
L'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus.
EXPOSÉ DE L'INVENTION En effet, l'invention concerne un microsystème pour le déplacement de fluide, le microsystème comprenant un microconduit contenant au moins un fluide et des moyens pour établir un déplacement primaire du fluide entre une entrée et une sortie du microconduit, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide.
Selon une première variante de l'invention, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide établissent une chute de pression motrice entre l'entrée et la sortie du microconduit.
Selon une deuxième variante de l'invention, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent une alimentation pour établir une différence de potentiel entre l'entrée et la sortie du microconduit.
Selon une caractéristique supplémentaire de la deuxième variante, le fluide étant diélectrique, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent, en outre, des moyens d'injection de charges dans le microconduit.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de la deuxième variante, le fluide étant conducteur, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent: - au moins un électrolyte contenu dans le microconduit, et un matériau qui recouvre au moins une paroi du 15 microconduit ou dont au moins une paroi du microconduit est constituée et qui, en contact avec l'électrolyte, développe des charges.
Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un mouvement secondaire du fluide comprennent au moins un micro-élément magnétique placé à proximité d'une paroi du microconduit de sorte qu'un champ magnétique est créé dans le microconduit.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens magnétohydro-dynamiques pour établir au moins un mouvement secondaire du fluide comprennent un ensemble de micro-éléments magnétiques placés les uns à côté des autres à proximité d'une paroi du microconduit, chaque micro- élément magnétique créant un champ magnétique dans le microconduit, deux champs magnétiques créés par deux micro-éléments magnétiques voisins étant orientés dans deux directions opposées.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, un microélément magnétique est un micro-aimant permanent.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, un microélément magnétique est une microbobine.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens magnétohydro-dynamiques pour établir au moins un mouvement secondaire comprennent un micro-aimant ayant un pôle nord et un pôle sud, le microaimant étant placé à proximité d'une paroi du microconduit et créant un champ magnétique à l'intérieur du microconduit, l'axe défini par les pôles nord et sud étant sensiblement parallèle à l'axe du microconduit.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens magnéto- hydro-dynamiques sont placés à l'extérieur du microconduit.
Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les moyens magnéto- hydro-dynamiques sont placés à l'intérieur du microconduit.
L'invention concerne également un microsystème pour le mélange de fluides, caractérisé en ce qu'il comprend un microsystème pour le déplacement de fluide selon l'invention, le microsystème pour le déplacement de fluide comprenant au moins deux entrées et une sortie, au moins un premier fluide entrant dans le microsystème par une première entrée et au moins un deuxième fluide entrant dans le microsystème par une deuxième entrée.
L'invention concerne également un microsystème pour le balayage de fluide en surface d'un microréacteur, caractérisé en ce qu'il comprend: - un microconduit ayant une paroi partiellement constituée du microréacteur, le microconduit contenant au moins un fluide, - des moyens pour établir un déplacement primaire du fluide selon l'axe du microconduit entre au moins une entrée et une sortie du microconduit, et - des moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide, le balayage du fluide résultant de la combinaison des déplacements primaire et secondaire du fluide.
Selon une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, les moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide comprennent au moins un ensemble de N micro-éléments magnétiques alignés placés les uns à côté des autres à proximité du microconduit, les N micro-éléments magnétiques créant, dans le microconduit, N champs magnétiques sensiblement perpendiculaires à la surface du microréacteur, les N champs magnétiques étant de directions successives opposées selon l'axe du microconduit et créant N+1 cellules tourbillonnaires réparties de part et d'autre du microréacteur.
Selon une autre caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, les moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide comprennent au moins un ensemble de N micro-éléments magnétiques alignés placés les uns à côté des autres à proximité du microconduit, les N micro-éléments magnétiques créant, dans le microconduit, N champs magnétiques sensiblement perpendiculaires à la surface du microréacteur, les N champs magnétiques étant de directions successives opposées selon l'axe du microconduit, les parois du microconduit situées de part et d'autre du microréacteur étant recouvertes de plots solides aptes à supprimer une recirculation du fluide dans le microconduit.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, les micro-éléments sont des micro-aimants permanents.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, les micro-éléments sont des microbobines.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide établissent une chute de pression motrice entre l'entrée et la sortie du microconduit.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent une alimentation pour établir une différence de potentiel entre l'entrée et la sortie du microconduit.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, le fluide étant diélectrique, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent, en outre, des moyens d'injection de charges dans le microconduit.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, le fluide étant conducteur, les moyens pour établir un mouvement primaire du fluide comprennent: - au moins un électrolyte dans le microconduit, et - un matériau qui recouvre au moins une paroi du microconduit ou dont au moins une paroi du microconduit est constituée et qui, en contact avec l'électrolyte, développe des charges.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, le microréacteur est une biopuce.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, les moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide sont placés à l'extérieur du microconduit.
Selon encore une caractéristique supplémentaire du microsystème de balayage selon l'invention, les moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide sont placés à l'intérieur du microconduit.
Selon certaines variantes de l'invention, le déplacement primaire du fluide est effectué par électro-osmose (cas des liquides conducteurs) ou par injection d'ions (cas des liquides diélectriques).
L'électro-osmose et l'injection d'ions relèvent de l'électrocinétique et ont en commun d'utiliser un champ électrique permanent imposé au liquide, de l'extérieur, entre l'entrée et la sortie du microsystème. Elles ont également en commun d'engendrer un mouvement de masse du fluide à partir d'un déplacement d'ions en excès sous l'effet de la force de Coulomb. L'origine des ions en excès est différente dans les deux cas: dans le cas des liquides conducteurs, les ions naissent dans la double couche électrique pariétale des liquides conducteurs et dans le cas des liquides diélectriques, les ions sont injectés par effet de pointe dans les liquides. Selon l'invention, le champ électrique est parallèle à l'axe principal de l'écoulement primaire.
Selon l'invention, les écoulements secondaires du fluide sont obtenus à l'aide
B
d'implantations spatiales particulières de microélements magnétiques qui créent des figures plus ou moins complexes du champ magnétique dans une zone active. Les éléments magnétiques, par exemple des aimants permanents ou non, peuvent être soit intégrés dans le microsystème, soit laissés à l'extérieur de celui-ci.
Un microsystème pour le déplacement de fluide selon l'invention ne possède aucun des inconvénients évoqués ci-dessus pour les systèmes exclusivement MHD. Les électrodes qui créent un champ électrique entre l'entrée et la sortie sont placées à l'extérieur du microsystème et, de ce fait, n'induisent aucune conséquence négative sur la zone réactive. Elles peuvent être facilement remplacées et les bulles qui pourraient être émises dans le cas d'un fluide conducteur peuvent être éliminées avant de pénétrer dans le microconduit. Il est donc avantageusement possible d'utiliser une alimentation continue.
Dans le cas où les micro-éléments magnétiques sont externes, il est avantageusement très facile de modifier leur nombre et/ou leur position. Ces modifications sont réversibles et des aimants puissants, même relativement volumineux, peuvent être utilisés. D'anciens microsystèmes peuvent également être utilisés par simple adjonction d'une mise sous tension externe et d'un jeu de microaimants adaptés au type de mélange que l'on souhaite effectuer.
Mouvement primaire et mouvement secondaire sont dans l'invention partiellement ou totalement découplés. En effet, le champ magnétique ne joue que sur le mouvement secondaire, alors que le champ électrique joue sur les deux mouvements. Il est ainsi possible de concevoir des systèmes où mouvement primaire et mouvement(s) secondaire(s) sont quasiment découplés, en intensité et/ou dans le temps. En effet, pour un champ magnétique donné d'intensité suffisante, les mouvements secondaires démarrent dès lors qu'un champ électrique, même de faible intensité, est appliqué. Les mouvements secondaires peuvent alors être commandés par ce champ électrique, sur une gamme d'intensités qui n'induisent qu'un mouvement primaire négligeable du liquide. Un mélange peut alors se produire, à faible valeur du champ électrique extérieur, sans mouvement primaire notable. Si on se limite à la gamme d'intensités du champ électrique mentionnée ci-dessus (gamme propre à chaque microsystème), on peut alors choisir de créer le mouvement primaire par un autre moyen qu'électrique, tel qu'un moyen thermique, un moyen acoustique, une micropipette, etc. Dans ces systèmes, les mouvements primaires et secondaires sont alors totalement découplés.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, déjà décrite, représente un schéma de principe de micropompe MHD selon l'art antérieur; - la figure 2A, déjà décrite, représente un schéma de principe de mélangeur MHD selon l'art antérieur; - la figure 2B, déjà décrite, représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace dans le mélangeur MHD de la figure 2A; - la figure 3A représente un schéma de principe de 10 mélangeur selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3B représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace, sans écoulement primaire, dans le mélangeur de la figure 3A; - la figure 3C représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace, avec écoulement primaire, dans le mélangeur de la figure 3A; - la figure 4A représente un schéma de principe de mélangeur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; - la figure 4B représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace, sans écoulement primaire, dans le mélangeur de la figure 4A; la figure 5A représente un schéma de principe de mélangeur selon un troisième mode de réalisation de l'invention;
B
- la figure 5B représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace, en l'absence d'écoulement primaire, dans le mélangeur de la figure 5A.
- la figure 6A représente une vue en coupe d'un dispositif de balayage selon l'invention; - la figure 6B représente une vue de dessus du dispositif de balayage de la figure 6A; - la figure 6C représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace dans un dispositif de balayage selon la figure 6A; - la figure 7 représente un exemple de microsystème fluidique permettant de mélanger deux fluides selon l'invention; - la figure 8 représente une variante du dispositif de balayage représenté aux figures 6A-6B.
Sur toutes les figures les mêmes références désignent les mêmes éléments.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE MISE EN UVRE DE L'INVENTION La figure 3A représente un schéma de principe de mélangeur selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Le mélangeur comprend un microconduit 1 et un micro-élément magnétique 5. Le micro-élément magnétique 5 est, par exemple, un micro-aimant permanent. Il pourrait également s'agir, par exemple, d'une microbobine. Le microaimant 5 est placé à proximité du microconduit 1 de façon à plonger ce dernier dans un champ magnétique Hb. Les lignes du champ magnétique Hb qui sont issues du pôle nord N du micro-aimant 5 traversent alors le microconduit 1 en s'épanouissant pour se refermer sur le pôle sud S du micro-aimant.
L'écoulement primaire est ici réalisé par électro-osmose. A cette fin, une alimentation électrique 6 est connectée entre un réservoir d'entrée En et un réservoir de sortie So. Une différence de potentiel est alors appliquée à au moins un électrolyte contenu dans le microconduit 1. Au moins une paroi interne du microconduit 1 est recouverte d'un matériau ou fabriquée dans un matériau qui, mis au contact de l'électrolyte, développe des charges, par exemple des charges négatives. Le phénomène d'électro-osmose est alors déclenché.
La figure 3B représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace, sans écoulement primaire (Q = 0), dans le mélangeur de la figure 3A. Deux cellules tourbillonnaires 7a et 7b, symétriques par rapport à l'axe du champ magnétique Hb, s'établissent dans le microconduit 1.
La figure 3C représente une vue de dessus du champ de vitesse obtenu par le précédent mélangeur avec écoulement primaire (Q 0). Deux tourbillons 8a et 8b, tournant dans des sens opposés, s'établissent, entre lesquels le fluide s'écoule suivant des lignes de courant 9a et 9b. Les tourbillons 8a et 8b sont des zones dans lesquelles les lignes de courant du fluide bouclent sur elles-mêmes. Pour des raisons de commodité, dans la suite de la description, une zone de fluide dans laquelle les lignes de courant du fluide bouclent sur elles-mêmes sera appelée zone de recirculation par opposition à une zone de circulation dans laquelle le fluide se déplace (i.e. circule) d'un premier point à un deuxième point différent du premier. Chacune des zones de recirculation 8a, 8b est localisée à proximité d'une paroi latérale différente du microconduit. L'écoulement primaire circule entre ces zones. Au plus l'écoulement primaire est important, au plus les zones de recirculation sont réduites.
La figure 4A représente un schéma de principe d'un mélangeur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le mélangeur comprend un microconduit 1, une alimentation 6 et trois micro-aimants 10, 11, 12 qui ont une orientation alternée, deux micro-aimants 10, 12 de même orientation encadrant le micro-aimant 11 d'orientation opposée. Les trois micro-aimants 10, 11, 12 sont placés à proximité du microconduit 1 de sorte les champs magnétiques respectifs Hc, Hd, He qu'ils créent pénètrent le microconduit 1.
La figure 4B représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace, sans écoulement primaire (Q = 0), dans un mélangeur selon la figure 4A. Quatre cellules tourbillonnaires d'orientations alternées 13b, 13bc, 13cd et 13c sont présentes dans le microconduit 1. Sur la figure 4B, les projections des micro-aimants 10, 11, 12 sur le microconduit 1 sont respectivement représentées par les zones voisines 10p, 11p, et 12p. La figure 5A représente un schéma de principe de mélangeur selon un
troisième mode de réalisation de l'invention. Le mélangeur comprend un microconduit 1, un micro-aimant 14 et une alimentation 6. L'axe Nord-Sud du micro-aimant 14 est ici parallèle à l'axe du microconduit 1. Les lignes du champ magnétique créé par le micro-aimant 14 se referment entre les pôles Nord et Sud du micro-aimant. Le micro-aimant 14 est placé à proximité du microconduit 1 afin que le champ magnétique Hf qu'il crée pénètre le microconduit 1. Une alimentation électrique 6 connectée entre un réservoir d'entrée En et un réservoir de sortie So applique une différence de potentiel à au moins un électrolyte contenu dans le microconduit 1. Un écoulement primaire est alors réalisé par électroosmose.
Le figure 5B représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace, en l'absence d'écoulement primaire (Q = 0), dans le mélangeur de la figure 5A. Une seule cellule tourbillonnaire 15, allongée suivant l'axe du microconduit 1, s'étend entre les deux zones qui jouxtent les pôles Nord N et Sud S du microaimant, ces deux zones constituant alors les seules zones motrices du mélangeur puisque la force de Lorentz est nulle partout ailleurs.
Les figures 6A et 6B représentent, respectivement, une vue en coupe et une vue de dessus d'un dispositif de balayage selon l'invention et la figure 6C représente une vue de dessus du champ de vitesse des particules d'un fluide qui se déplace dans un dispositif de balayage tel que représenté aux figures 6A et 6B. Le dispositif de balayage est, par exemple, un dispositif de balayage pour biopuce. Le dispositif de balayage comprend un microconduit 1 équipé d'un microréacteur en phase hétérogène R tel que, par exemple, une biopuce et un ensemble 16 de N micro-éléments magnétiques alignés. Le microconduit 1 est pourvu d'une entrée En et d'une sortie So. Le fluide est mis en mouvement primaire entre l'entrée En et la sortie So à l'aide, par exemple, d'une micropompe ou d'une micropipette placée sur l'entrée En. Le microréacteur R est intégré à une paroi du microconduit 1. Le microréacteur R n'occupe qu'une partie de la surface totale de la paroi à laquelle il est intégré. La paroi dans laquelle le microréacteur est intégré comprend alors deux zones latérales Z1, Z2, situées de part et d'autre du microréacteur R, dans lesquelles aucune réaction ne peut se produire. Les N éléments magnétiques, par exemple N aimants permanents accolés et d'orientations alternées, créent N champs magnétiques dans le microconduit 1 et, partant, au niveau du microréacteur R. Les N éléments magnétiques peuvent être placés sous le microconduit, comme cela est représenté sur la figure 6A, ou au dessus du microconduit, ou encore à l'intérieur du microconduit. Les N champs magnétiques sont tels que les lignes d'induction traversent une seule fois le microconduit 1, dans un premier sens puis dans un autre opposé au premier, quand on progresse selon l'axe du microconduit. Le bouclage des lignes de champ vers les pôles opposés est rejeté relativement loin à l'extérieur du microconduit 1 du fait de l'utilisation d'aimants dont la distance entre les pôles Nord et Sud est relativement importante. L'épaisseur des aimants est en revanche relativement faible afin de favoriser la finesse du balayage.
En l'absence de chute de pression motrice (Q = 0), N+l cellules tourbillonnaires CT ayant des sens de circulation alternés apparaissent entre En et So. Les N+1 cellules tourbillonnaires occupent alors toute la largeur du microconduit 1.
Si une pression motrice est appliquée entre l'entrée En et la sortie So, un écoulement primaire se fraye un passage entre les cellules, comme décrit ci- dessus en référence aux figures 3A-3C. Au plus le débit Q croit, au plus la largeur des cellules tourbillonnaires dans le microconduit 1 est réduite, laissant le microréacteur R libre de toute zone de recirculation. Les N+1 cellules tourbillonnaires CT se B 14398.3/PR distribuent alors en m cellules dans la zone Z1 et m+1 cellules dans la zone Z2 située face à Zl (avec 2m+1=N+1). Il en résulte un écoulement du fluide en zigzag, comme illustré sur la figure 6C. Le fluide effectue alors un balayage de la surface du microréacteur R. Ce balayage favorise les réactions hétérogènes chimiques ou biologiques. En particulier, un tel balayage permet d'exposer, pendant une durée optimale, l'ensemble des plots d'une biopuce à un analyte cible injecté à l'entrée En.
Les zones de recirculation, même rejetées à l'extérieur de la surface du microréacteur R, peuvent malgré tout être gênantes, car elles sont susceptibles de piéger une partie des analytes. Deux remèdes sont envisageables selon que le circuit est fermé ou ouvert.
En circuit fermé, un mouvement de va et vient est appliqué à l'écoulement primaire. Les zones de recirculation qui se créent dans un premier sens de circulation se détruisent et réapparaissent alors ensemble dans le sens opposé, décalées d'une épaisseur d'aimant.
En circuit ouvert, les parois latérales du microconduit sont équipées, à l'emplacement où doivent apparaître les cellules tourbillonnaires CT, de plots solides PT de forme similaire à la forme des cellules tourbillonnaires, comme cela est représenté en figure 8. L'écoulement primaire, en serpentant dans le microconduit 1, ne crée alors plus aucune zone de recirculation.
La figure 7 représente un microsystème fluidique selon l'invention permettant de mélanger deux fluides. Le dispositif comprend un microconduit 1 et un ensemble 17 de micro-éléments magnétiques. L'entrée du microconduit 1 est reliée à deux microcircuits d'entrée Cl, C2 reliés aux réservoirs d'entrée respectifs Enl, En2. La sortie du microconduit 1 est reliée au réservoir de sortie So. Selon l'exemple de réalisation de la figure 7, l'ensemble 17 de micro-éléments est constitué d'une structure linéaire de N (N=12) micro-aimants permanents d'orientation alternée créant des champs magnétiques successifs de directions opposées. Des structures plus complexes de micro-aimants ou de microbobines peuvent également être envisagées telles que, par exemple, des structures matricielles. Un premier fluide est introduit dans le microconduit 1 par le microcircuit d'entrée Cl et un deuxième fluide par le microcircuit d'entrée C2. Un circuit électrique (non représenté sur la figure) applique une tension V1 sur l'entrée Enl et une tension V2 sur l'entrée En2, la sortie So étant mise à la masse. Les fluides circulent alors de Enl vers So et de En2 vers So. Le mélange des fluides s'effectue dans le microconduit 1.

Claims (25)

REVENDICATIONS
1. Microsystème pour le déplacement de fluide, le microsystème comprenant un microconduit (1) contenant au moins un fluide et des moyens pour établir un déplacement primaire du fluide entre une entrée (En) et une sortie (So) du microconduit (1), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens magnéto-hydro-dynamiques (5, 10, 11, 12, 14) pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide.
2. Microsystème selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide établissent une chute de pression motrice entre l'entrée (En) et la sortie (So) du microconduit (1).
3. Microsystème selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent une alimentation (6) pour établir une différence de potentiel entre l'entrée (En) et la sortie (So) du microconduit (1).
4. Microsystème selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le fluide étant diélectrique, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent, en outre, des moyens d'injection de charges dans le microconduit.
5. Microsystème selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le fluide étant conducteur, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent: au moins un électrolyte dans le microconduit (1), un matériau qui recouvre au moins une paroi du microconduit ou dont au moins une paroi du microconduit est constituée et qui, en contact avec l'électrolyte, développe des charges.
6. Microsystème selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un mouvement secondaire du fluide comprennent au moins un microélément magnétique (5) placé à proximité d'une paroi du microconduit de sorte qu'un champ magnétique (Hb) est créé dans le microconduit (1).
7. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un mouvement secondaire du fluide comprennent un ensemble de microéléments magnétiques (10, 11, 12) placés les uns à côté des autres à proximité d'une paroi du microconduit, chaque micro-élément magnétique créant un champ magnétique dans le microconduit, deux champs magnétiques créés par deux micro-éléments magnétiques voisins étant orientés dans deux directions opposées.
8. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le micro-élément magnétique est un micro-aimant permanent.
9. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le micro-élément magnétique est une microbobine.
10. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens magnéto-hydro-dynamiques pour établir au moins un mouvement secondaire comprennent un micro-aimant (14) ayant un pôle nord (N) et un pôle sud (S), le micro- aimant étant placé à proximité d'une paroi du microconduit et créant un champ magnétique (Hf) à l'intérieur du microconduit, l'axe défini par les pôles nord et sud étant sensiblement parallèle à l'axe du microconduit.
11. Microsystème selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens magnéto-hydro-dynamiques sont placés à l'extérieur du microconduit (1).
12. Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens magnéto-hydro-dynamiques sont placés à l'intérieur du microconduit (1).
13. Microsystème pour le mélange de fluides, caractérisé en ce qu'il comprend un microsystème pour le déplacement de fluide selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, le microsystème pour le déplacement de fluide comprenant au moins deux entrées (En1, En2) et une sortie (So), au moins un premier fluide entrant dans le microsystème par une première entrée (Enl) et au moins un deuxième fluide entrant dans le microsystème par une deuxième entrée (En2).
14. Microsystème pour le balayage de fluide en surface d'un microréacteur (R), caractérisé en ce 15 qu'il comprend: un microconduit (1) ayant une paroi partiellement constituée du microréacteur (R), le microconduit (1) contenant au moins un fluide, des moyens pour établir un déplacement primaire du 20 fluide selon l'axe du microconduit (1) entre au moins une entrée (En) et une sortie (So) du microconduit (1), et des moyens magnétohydro-dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide, le 25 balayage du fluide résultant de la combinaison des déplacements primaire et secondaire du fluide.
15. Microsystème selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens magnéto-hydro- dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide comprennent au moins un ensemble de N micro-éléments magnétiques alignés placés les uns à côté des autres à proximité du microconduit (1), les N micro-éléments magnétiques créant, dans le microconduit, N champs magnétiques sensiblement perpendiculaires à la surface du microréacteur (R), les N champs magnétiques étant de directions successives opposées selon l'axe du microconduit (1) et créant N+l cellules tourbillonnaires réparties de part et d'autre du microréacteur (R).
16. Microsystème selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens magnéto-hydro- dynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide comprennent au moins un ensemble de N micro-éléments magnétiques alignés placés les uns à côté des autres à proximité du microconduit (1), les N micro-éléments magnétiques créant, dans le microconduit, N champs magnétiques sensiblement perpendiculaires à la surface du microréacteur (R), les N champs magnétiques étant de directions successives opposées selon l'axe du microconduit (1), les parois du microconduit situées de part et d'autre du microréacteur (R) étant recouvertes de plots solides aptes à supprimer une recirculation du fluide dans le microconduit.
17. Microsystème pour le balayage de fluide selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que les micro-éléments sont des micro-aimants permanents.
18. Microsystème pour le balayage de fluide selon la revendication 14 ou 16, caractérisé en ce que les micro-éléments sont des microbobines.
19. Microsystème pour le balayage de fluide selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide établissent une chute de pression motrice entre l'entrée (En) et la sortie (So) du microconduit (1).
20. Microsystème pour le balayage de fluide selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent une alimentation pour établir une différence de potentiel entre l'entrée (En) et la sortie (Sn) du microconduit (1).
21. Microsystème pour le balayage de fluide selon la revendication 20, caractérisé en ce que, le fluide étant diélectrique, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent, en outre, des moyens d'injection de charges dans le microconduit.
22. Microsystème pour le balayage de fluide selon la revendication 20, caractérisé en ce que, le fluide étant conducteur, les moyens pour établir un déplacement primaire du fluide comprennent: - au moins un électrolyte dans le microconduit (1), - un matériau qui recouvre au moins une paroi du microconduit ou dont au moins une paroi du microconduit est constituée et qui, en contact avec l'électrolyte, développe des charges.
23. Microsystème pour le balayage de fluide selon l'une quelconque des revendications 14 à 22, caractérisé en ce que le microréacteur (R) est une biopuce.
24. Microsystème pour le balayage de fluide selon l'une quelconque des revendications 14 à 23, caractérisé en ce que les moyens magnéto-hydrodynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide sont placés à l'extérieur du microconduit.
25. Microsystème pour le balayage de fluide selon l'une quelconque des revendications 14 à 23, caractérisé en ce que les moyens magnétohydrodynamiques pour établir au moins un déplacement secondaire du fluide sont placés à l'intérieur du microconduit.
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