FR2872438A1 - Dispositif de deplacement et de traitement de volumes de liquide - Google Patents

Dispositif de deplacement et de traitement de volumes de liquide Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de déplacement d'un petit volume de liquide sous l'effet d'une commande électrique, comportant un premier substrat à surface hydrophobe (29) muni de moyens (24) électriquement conducteurs, des deuxièmes moyens électriquement conducteurs (30) disposés en vis-à-vis des premiers moyens conducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte des troisième moyens conducteurs (32), formant avec les deuxièmes moyens conducteurs des moyens d'analyse ou de chauffage d'un volume de liquide.

Description

DISPOSITIF DE DEPLACEMENT ET DE TRAITEMENT DE VOLUMES
DE LIQUIDE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR
L'invention concerne un dispositif et un procédé de déplacement de petits volumes de liquide, mettant en oeuvre des forces électrostatiques pour obtenir ce déplacement.
L'invention concerne notamment un dispositif de manipulation microfluidique discrète, ou microfluidique en goutte, en vue d'applications chimiques ou biologiques.
Un des modes de déplacements ou de manipulation les plus utilisés repose sur le principe de l'électromouillage sur un diélectrique, comme décrit dans l'article de M.G. Pollack, A.D. Shendorov, R.B. Fair, intitulé Electro-wetting-based actuation of droplets for integrated microfluidics , Lab Chip 2 (1) (2002) 96-101.
Les forces utilisées pour le déplacement sont des forces électrostatiques.
Le document FR 2 841 063 décrit un dispositif mettant en oeuvre un caténaire en regard des 25 électrodes activées pour le déplacement.
Le principe de ce type de déplacement est synthétisé sur les figures 1A 1C.
Une goutte 2 repose sur un réseau 4 d'électrodes, dont elle est isolée par une couche 30 diélectrique 6 et une couche hydrophobe 8 (figure 1A).
Lorsque l'électrode 4-1 située à proximité de la goutte 2 est activée, la couche diélectrique 6 et la couche hydrophobe 8, entre cette électrode activée et la goutte polarisée par une électrode 10, agissent comme une capacité. Les effets de charge électrostatique induisent le déplacement de la goutte sur cette électrode. L'électrode 10 peut être un caténaire, il maintient alors un contact électrique avec la goutte pendant son déplacement comme décrit dans le document FR - 2 841 063 (figure 2A).
La goutte peut ainsi être déplacée de proche en proche (figure 1C), sur la surface hydrophobe 8, par activation successive des électrodes 4-1, 42,... etc. et par guidage le long du caténaire 10.
Il est donc possible de déplacer des liquides, mais aussi de les mélanger (en faisant s'approcher des gouttes de liquides différents), et de réaliser des protocoles complexes.
Les documents cités ci-dessus donnent des exemples de mises en oeuvre de séries d'électrodes adjacentes pour la manipulation d'une goutte dans un plan.
Ce type de déplacements est de plus en plus utilisé dans des dispositifs, en vue d'analyses biochimiques, chimique ou biologiques, que ce soit dans le domaine médical, ou dans la surveillance environnementale, ou dans le domaine du contrôle de qualité.
Dans certains cas, il se pose le problème 30 d'effectuer un déplacement et une détection d'une caractéristique d'un volume de liquide déplacé ou à déplacer.
Il se pose alors souvent le problème du nombre de contacts sur la puce sur laquelle le déplacement a lieu, ainsi que le problème de la manière d'amener la goutte à analyser vers une zone de détection.
C'est notamment le cas, mais pas seulement, lorsque déplacement de goutte et détection, par exemple d'un produit solubilisé dans cette goutte, sont parfaitement dissociés.
Il se pose donc le problème de trouver un nouveau dispositif permettant plus aisément de déplacer et d'analyser ou de traiter des gouttes ou des micro- gouttes de petits volumes de liquide.
EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de déplacement d'un petit volume de liquide sous l'effet d'une commande électrique, comportant un premier substrat à surface hydrophobe muni de premiers moyens électriquement conducteurs, des deuxièmes moyens électriquement conducteurs disposés en vis-à-vis des premiers moyens conducteurs, ou en correspondance de ces premiers moyens, ou en vis-à-vis de la portion de la surface hydrophobe qui recouvre les premiers moyens électriquement conducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte des troisièmes moyens conducteurs, formant avec les deuxièmes moyens conducteurs des moyens d'analyse ou pour induire une réaction ou des moyens de chauffage d'un volume de liquide.
L'un des deuxième et troisième moyens électriquement conducteurs peut être utilisé dans la phase de déplacement des gouttes de liquides d'intérêt afin d'amener la goutte sur la zone souhaitée des premiers moyens électriquement conducteurs, les deuxièmes moyens électriquement conducteurs étant associés aux troisièmes moyens en un couple, par exemple un couple d'électrodes en contact électrique avec la goutte ou le liquide, de manière à réaliser, par exemple, une détection électrochimique d'une espèce rédox présente dans la ou les gouttes (détection à deux électrodes), ou un système électrophorétique, ou un système de chauffage ou d'autres réactions.
Ainsi, l'un des deuxièmes et troisièmes moyens électriquement conducteurs joue deux fonctions.
D'abord, seul et en combinaison avec les électrodes sous-jacentes, une fonction de déplacement est assurée par la mise sous tension de la goutte pour l' électromouillage.
Puis, couplés aux autres moyens parmi les deuxièmes et troisièmes moyens électriquement conducteurs, une deuxième fonction est assurée, qui est une fonction de détection, par exemple électrochimique.
Les deuxièmes moyens électriquement conducteurs seront alors soit une électrode de travail, soit une contre-électrode.
Ces deuxièmes moyens feront office à la fois d'électrode de référence et de contre-électrode, le rôle de la seconde électrode étant fonction de celui de la première.
Selon un mode de réalisation, les deuxièmes moyens conducteurs comportent un caténaire ou un fil, sensiblement parallèle à la surface hydrophobe.
Le caténaire ou le fil peut être non enterré dans le premier substrat, à une distance non nulle de la surface hydrophobe, par exemple comprise entre 1 pm et 100 pm ou 500 pm Les troisièmes moyens conducteurs peuvent comporter également un caténaire ou un fil, qui peut être non enterré dans le premier substrat, à une distance non nulle de la surface hydrophobe, par exemple comprise entre 1 pm et 100 pm ou 500 pm.
Les deux caténaires ou fils peuvent être parallèles entre eux et à la surface hydrophobe.
Les deux caténaires ou fils peuvent ne pas être parallèles entre eux, mais rester parallèles à la surface hydrophobe.
L'un des caténaires peut être enterré sous la surface hydrophobe.
Les caténaires peuvent être dirigés de manière sensiblement parallèle entre eux.
Les troisièmes moyens conducteurs peuvent comporter un conducteur plan enterré sous la surface hydrophobe.
Les deuxièmes moyens conducteurs peuvent comporter un caténaire ou un fil enterré sous la surface hydrophobe.
Les troisièmes moyens conducteurs peuvent alors comporter également un caténaire ou un fil enterré, les deux caténaires enterrés étant dirigés de manière sensiblement parallèle entre eux.
Les troisièmes moyens conducteurs peuvent comporter une électrode plane enterrée sous la surface hydrophobe.
Les deuxièmes moyens conducteurs peuvent 5 comporter une électrode plane enterrée.
Les troisièmes moyens conducteurs peuvent alors comporter un conducteur enterré, de forme plane ou filaire.
Les troisièmes moyens conducteurs peuvent comporter un caténaire ou un fil dirigée perpendiculairement au caténaire ou fil des deuxièmes moyens électriquement conducteurs.
Un dispositif tel que décrit ci-dessus peut comporter en outre un deuxième substrat à surface hydrophobe, ce deuxième substrat conférant à l'ensemble une structure confinée.
Il peut aussi comporter en outre un deuxième substrat à surface hydrophobe, ce deuxième substrat conférant à l'ensemble une structure confinée, le troisième conducteur étant enterré dans le deuxième substrat, sous sa surface hydrophobe.
Le troisième conducteur peut alors être sous forme de caténaire ou de fil enterré, ou bien sous forme d'un conducteur plan enterré.
Dans un tel dispositif, la surface du deuxième substrat peut être localement ajourée pour former une zone de contact entre une goutte de liquide positionnée entre les deux substrats et le troisième conducteur.
Le deuxième substrat peut aussi être disposé à une distance du premier substrat comprise entre 10 pm et 100 pm ou 500 pm.
Un dispositif tel que décrit ci-dessus peut comporter en outre un deuxième substrat à surface hydrophobe, ce deuxième substrat conférant à l'ensemble une structure confinée, le deuxième et le troisième conducteurs étant enterrés dans le deuxième substrat, sous sa surface hydrophobe.
Les deuxième et troisième conducteurs peuvent alors être chacun sous forme de caténaire ou de fil.
L'invention concerne également un procédé de traitement d'une goutte de liquide, par exemple par réaction ou détection électrochimique ou par électrophorèse ou par effet Joule, ou de traitement d'une cellule par lyse cellulaire ou par électroporation, comportant: - la mise en contact d'une goutte de 20 liquide avec les électrodes d'un dispositif tel que décrit ci- dessus, - l'application d'une différence de potentiel entre les premier et deuxième moyens conducteurs.
Les deuxièmes moyens électriquement conducteurs, ou les deux électrodes, peuvent donc par exemple assurer une séparation électrophorétique et/ou une fonction de chauffage.
Dans un dispositif selon l'invention, le basculement d'une configuration de déplacement à une configuration de réaction ou de lecture ou chauffage peut être rapide, permettant de traiter plusieurs gouttes les unes après les autres, dans un protocole de dosage en flux continu, par exemple, ou pour des analyses à haut débits.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
- Les figures 1A - 1C illustrent le principe du déplacement d'une goutte sur une matrice d'électrodes par électromouillage, - les figures 2A à 2C illustrent un mode de 10 réalisation de l'invention, - les figures 3A - 9B illustrent d'autres variantes et d'autres modes de réalisation de l'invention, - les figures 10A et 10B illustrent des 15 variantes en deux dimensions de l'invention, - la figure 11 illustre la détection entre deux caténaires du couple Fell/ln.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Un premier exemple de réalisation de l'invention est illustré sur les figures 2A et 2B.
Un dispositif, ou composant microfluidique, selon l'invention comporte un substrat inférieur 20, muni d'une matrice 24 d'électrodes indépendantes.
Chacune de ces électrodes 24 est connectée électriquement à un conducteur 26.
Les électrodes 24 sont recouvertes d'une couche isolante 28 et d'une couche hydrophobe 29.
Le caractère hydrophobe de cette couche signifie qu'une goutte 22 a un angle de contact, sur cette couche, supérieur à 90 .
Une couche unique peut combiner ces deux 5 fonctions, par exemple une couche en téflon.
Ce dispositif comporte un premier caténaire 30, permettant l'électromouillage, et un deuxième caténaire 32 formant un couple d'électrode avec le premier caténaire 30.
Le premier caténaire se situe en vis-à-vis des électrodes 24, ou de la portion de la surface hydrophobe 29 située au-dessus des électrodes 24.
Des moyens d'alimentation 34 relient ces diverses électrodes entre elles.
Sur les figures 2A - 2B, ces moyens d'alimentation peuvent être commutés de deux façons, à l'aide de moyens de commutation 33.
Tout d'abord, pour un déplacement d'une goutte 22, une ou plusieurs des électrodes 24 est/sont sous tension, ainsi que le caténaire 30; cette configuration est illustrée en figure 2A; comme déjà expliqué ci-dessus, l'activation d'une des électrodes 24 va induire un déplacement de la goutte 22.
Puis, pour des mesures, une tension est appliquée à chacun des caténaires 30 et 32, générant une différence de potentiel non nulle entre ces deux caténaires, ce qui peut induire une réaction électrochimique dans la goutte 22, et/ou un chauffage de cette goutte, et/ou une détection ou une réaction d'électroporation et/ou une réaction de type lyse cellulaire dans cette goutte s'il y a la présence d'une cellule dans la goutte.
Cette configuration est illustrée en figure 2B.
Eventuellement, avec des moyens de commutation, ou à l'aide de deuxièmes moyens générateurs de tension, non représentés sur les figures 2A - 2B, une tension peut être appliquée à une ou plusieurs des électrodes 24, simultanément à la tension appliquée entre les caténaires 30 et 32, ce qui permet d'occasionner, en même temps que la réaction ci-dessus, un déplacement de la goutte 22.
L'utilisation de deux électrodes 30, 32 en forme de caténaires, parallèles entre eux et à l'alignement des électrodes 24, permet de réaliser la réaction souhaitée dans la goutte à tout endroit voulu de cet alignement. Il est possible d'amener la goutte au-dessus de l'une quelconque des électrodes 24 et d'y produire la réaction souhaitée par activation d'une différence de potentielle non nulle entre les deux caténaires 30 et 32.
L'un des deux caténaires est donc bifonctionnel et peut être utilisé pour un déplacement sur la surface hydrophobe 29 ou pour toute réaction électrochimique ou toute autre réaction pour laquelle il y a le besoin de deux électrodes (par exemple: électrophorèse, électroporation, lyse cellulaire).
Selon une variante, représentée sur la figure 2C, le deuxième conducteur peut être disposé selon une direction différente du premier conducteur. Par exemple, le caténaire 30 est maintenu parallèle à l'alignement des électrodes 24, tandis que le deuxième caténaire est dirigé sensiblement perpendiculairement au premier caténaire, mais parallèlement au plan de la couche 29 et du substrat 20, ou bien (figure 2C) est dirigé sensiblement perpendiculairement au plan de la couche 29 et du substrat 20.
Le déplacement de la goutte 22 de liquide a lieu de la même manière que ci-dessus, tandis qu'une réaction ou un chauffage est induit par établissement d'une différence de potentiel non nulle entre les électrodes 30 et 32.
Une variante du dispositif décrit ci-dessus est représentée en figures 3A et 3B, sur lesquelles des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2C y désignent des éléments identiques ou similaires.
Un des caténaires est encore situé au-dessus du substrat (ici le caténaire 30, mais ce pourrait être le caténaire 32). Une autre électrode 40, ici un caténaire, est enterrée dans le substrat 20, par exemple sous la couche hydrophobe 29. Cette électrode enterrée peut être plane, au lieu d'être un caténaire.
Pour un déplacement d'une goutte 22, une ou plusieurs des électrodes 24 est/sont sous tension, ainsi que, par exemple, le caténaire 30. Ce pourrait être aussi l'électrode 40 qui soit sous tension à la place du caténaire 30; cette configuration est illustrée en figure 3A; comme déjà expliqué ci-dessus, l'activation d'une des électrodes 24 va induire un déplacement de la goutte 22.
Puis, pour des mesures, une tension est appliquée entre les caténaires 30 et 40, générant une différence de potentiel entre ces deux caténaires, ce qui peut induire une réaction/détection électrochimique dans la goutte 22, et/ou un chauffage de cette goutte, et/ou une réaction d'électroporation et/ou une réaction de type lyse cellulaire de cellules présentes dans la goutte.
Cette configuration est illustrée en figure 10 3B.
Là encore, déplacement et réaction ou chauffage peuvent être simultanés, à l'aide de moyens de commutation adéquats ou de deuxièmes moyens générateurs de tension.
Encore une autre variante de ce dispositif est représentée en figures 4A et 4B, sur lesquelles des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2C y désignent des éléments identiques ou similaires.
Aucun des caténaires n'est plus situé au-dessus du substrat. Par contre, deux caténaires 50 et 52 sont enterrés dans le substrat 20, par exemple sous la couche hydrophobe 29.
La figure 4A représente une vue longitudinale du dispositif, sur laquelle un seul des deux caténaires enterrés est visible, cachant le deuxième, tandis que la figure 4B représente une vue en coupe AA' du dispositif, sur laquelle les deux caténaires enterrés 50, 52 sont visibles, au-dessus d'une électrode 24-1 qui cache les autres électrodes du réseau 24. Sur cette figure 4B sont également représentés les moyens 34 générateurs de tension ainsi que les moyens 33 de commutation.
Pour un déplacement d'une goutte 22, une ou plusieurs des électrodes 24 est/sont sous tension, ainsi que, par exemple, le caténaire 52; cette configuration est illustrée en figures 4A et 4B; comme déjà expliqué cidessus, l'activation d'une des électrodes 24 va induire un déplacement de la goutte 22.
Puis, pour des mesures, une tension est appliquée à chacun des caténaires 50 et 52 à l'aide des moyens 34 et 33 (situation non représentée sur las figures), générant une différence de potentiel non nulle entre ces deux caténaires, ce qui peut induire un chauffage de cette goutte, et/ou une réaction d'électroporation et/ou une réaction de type lyse cellulaire de cette goutte.
L'invention concerne également d'autres modes de réalisation, notamment du type confiné, avec 20 un substrat supérieur.
Ainsi, selon un autre mode de réalisation, il est possible de réaliser un dispositif en système dit fermé, avec un substrat supérieur qui confine la goutte.
Un tel mode de réalisation est illustré en figure 5, sur laquelle des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2B y désignent des éléments identiques ou similaires.
Un substrat supérieur 120 comporte une 30 couche hydrophobe 129, par exemple en téflon. Comme la couche 29, elle est en contact avec la goutte 22.
Les deux conducteurs 30, 32, sont situés dans cet exemple entre les deux substrats 20, 120 et sont tous deux en contact direct, mécanique et électrique, avec la goutte 22.
Le fonctionnement de ce type de dispositif est le même que celui exposé ci-dessus en liaison avec les figures 2A et 2B, la seule différence résidant dans le confinement de la goutte.
Sur la figure 5, le dispositif est représenté en position de déplacement de la goutte, une réaction ou un chauffage étant induit par commutation des moyens 33 de commutation. Là encore, déplacement et réaction ou chauffage peuvent être induits simultanément, par des moyens de commutation appropriés ou à l'aide d'une deuxième source de tension.
Selon une variante de ce mode de réalisation, l'un des deux conducteurs permettant d'induire une réaction dans la goutte peut être enterré dans le substrat inférieur 20.
Par exemple, sur la figure 6, sur laquelle des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2C y désignent des éléments identiques ou similaires, un des caténaires est encore situé au-dessus du substrat (ici le caténaire 30, mais ce pourrait être le caténaire 32). Une autre électrode 60, par exemple un caténaire, est enterrée dans le substrat 20, par exemple sous la couche hydrophobe 29, laissant seul le conducteur 30 au contact mécanique et électrique de la goutte.
Ce mode de réalisation permet un déplacement de la goutte à l'aide des conducteurs 24 et du conducteur 30, et l'induction d'une réaction avec l'application d'une différence de tensions entre les conducteurs 60 et 30 (ce qui est représenté sur la figure 6).
L'électrode enterrée 60 peut avoir la forme soit d'un conducteur linéaire ou d'un caténaire, soit la forme d'un conducteur plan.
Lorsqu'elle a la forme d'un conducteur linéaire, elle peut être orientée selon une direction non nécessairement parallèle à la direction du caténaire 30, comme illustré sur la figure 6, sur laquelle les deux caténaires sont sensiblement perpendiculaires; et l'avantage de cette structure est alors qu'une seule goutte à la fois est en contact électrique avec les deux électrodes. Ou bien les deux électrodes 30, 60 peuvent être parallèles entre elles (par exemple comme illustré sur les figures 3A et 3B), ce qui permet de réaliser la réaction souhaitée à tout endroit au-dessus des électrodes 24. Le même avantage est offert lorsque l'électrode enterrée 60 a la forme d'un conducteur plan.
Pour un déplacement d'une goutte 22, une ou plusieurs des électrodes 24 est/sont sous tension, ainsi que le caténaire 30; comme déjà expliqué cidessus, l'activation d'une des électrodes 24 va induire un déplacement de la goutte 22.
Puis, pour des mesures, une tension est appliquée à chacun des caténaires 30 et 60, générant une différence de potentiel entre ces deux caténaires, ce qui peut induire une réaction électrochimique dans la goutte 22, et/ou un chauffage de cette goutte, et/ou une réaction d'électroporation et/ou une réaction de type lyse cellulaire de cette goutte. Cette configuration est illustrée en figure 6 Selon encore une autre variante de ce mode de réalisation, l'un des deux conducteurs permettant d'induire une réaction dans la goutte peut être enterré dans le substrat supérieur 120.
Par exemple, sur la figure 7, sur laquelle des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2C y désignent des éléments identiques ou similaires, un des caténaires est encore situé au - dessus du substrat (ici le caténaire 30, mais ce pourrait être le caténaire 32).
Une autre électrode 70, par exemple un caténaire, est enterrée dans le substrat 120, par exemple sous la couche hydrophobe 129, laissant seul le conducteur 30 au contact mécanique et électrique de la goutte.
Ce mode de réalisation permet un déplacement de la goutte à l'aide des conducteurs 24 et du conducteur 30, et l'induction d'une réaction avec l'application d'une différence de tensions entre les conducteurs 70 et 30.
L'électrode enterrée 70 peut avoir la forme 25 soit d'un conducteur linéaire ou d'un caténaire, soit la forme d'un conducteur plan.
Lorsqu'elle a la forme d'un conducteur linéaire, elle peut être orientée selon une direction non nécessairement parallèle à la direction du caténaire 30 (comme illustré sur la figure 7, sur laquelle les deux caténaires sont sensiblement perpendiculaires), ou bien les deux conducteurs peuvent être parallèles entre eux (par exemple comme illustré sur les figures 3A et 3B), ce qui permet de réaliser la réaction souhaitée à tout endroit au-dessus des électrodes 24. Le même avantage est offert lorsque l'électrode enterrée 70 a la forme d'un conducteur plan.
Pour un déplacement d'une goutte 22, une ou plusieurs des électrodes 24 est/sont sous tension, ainsi que le caténaire 30; cette configuration est illustrée en figure 7; comme déjà expliqué ci-dessus, l'activation d'une des électrodes 24 va induire un déplacement de la goutte 22.
Puis, pour des mesures, une tension est appliquée à chacune des électrodes 30 et 70, générant une différence de potentiel non nulle entre elles, ce qui peut induire une réaction électrochimique dans la goutte 22, et/ou un chauffage de cette goutte, et/ou une réaction d'électroporation et/ou une réaction de type lyse cellulaire dans cette goutte.
Selon encore une autre variante, chacun des deux conducteurs permettant d'induire une réaction dans la goutte est enterré dans l'un des substrats.
Ainsi, sur la figure 8A, sur laquelle des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2C y désignent des éléments identiques ou similaires, un des caténaires est enterré dans le substrat 20, par exemple sous la couche hydrophobe 29.
L'autre électrode 130, par exemple un caténaire, est enterrée dans le substrat 120, par exemple par-dessus la couche hydrophobe 129.
Aucun des conducteurs n'est en contact mécanique avec la goutte.
Ce mode de réalisation permet un déplacement de la goutte à l'aide des conducteurs 24 et du conducteur 50 et l'induction d'une réaction avec l'application d'une différence de tensions entre les conducteurs 130 et 50.
Chacune des électrodes enterrées 50, 130 peut avoir la forme soit d'un conducteur linéaire ou d'un caténaire, soit la forme d'un conducteur plan.
Lorsqu'elles ont toutes deux la forme d'un conducteur linéaire, elles peuvent être orientées selon des directions non nécessairement parallèles entre elles (comme illustré sur la figure 7, sur laquelle les deux caténaires sont sensiblement perpendiculaires), ou bien les deux conducteurs peuvent être parallèles entre eux (par exemple comme illustré sur la figure 8A) ce qui permet de réaliser la réaction ou la détection souhaitée à tout endroit au-dessus des électrodes 24.
Le même avantage est offert lorsque l'une des deux électrodes enterrées a la forme d'un conducteur plan (notamment celle du substrat 120) tandis que l'autre a la forme d'un conducteur linéaire aligné au-dessus des électrodes 24, ou lorsque les deux électrodes ont chacune la forme d'un conducteur plan.
Pour un déplacement d'une goutte 22, une ou plusieurs des électrodes 24 est/sont sous tension, ainsi que l'électrode 50; cette configuration est illustrée en figure 8A; comme déjà expliqué ci-dessus, l'activation d'une des électrodes 24 va induire un déplacement de la goutte 22.
Puis, pour des mesures, une tension est appliquée à chacune des électrodes 130 et 50, générant une différence de potentiel non nulle entre elles, ce qui peut induire un chauffage dans la goutte 22, et/ou une réaction d'électroporation et/ou une réaction de type lyse cellulaire dans cette goutte s'il y a des cellules dans la goutte.
Selon une variante de ce mode de réalisation, illustrée sur la figure 8B, sur laquelle des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2C y désignent des éléments identiques ou similaires, l'un des conducteurs enterrés, par exemple le conducteur 130 du substrat supérieur 120, est localement en contact physique avec la goutte 22 du fait d'une ouverture 127 pratiquée dans la couche hydrophobe 129, par exemple par lithographie puis gravure de cette couche 129.
Dans ce cas, pour des mesures, une tension est appliquée à chacune des électrodes 130 et 50, générant une différence de potentiel entre ces deux électrodes, ce qui peut induire: - une réaction électrochimique dans la goutte 22 lorsqu'elle est en contact direct avec l'électrode 130 par l'ouverture 127, - et/ou, quelle que soit la position de la goutte par rapport à l'ouverture 127, un chauffage de cette goutte et/ou une réaction d'électroporation et/ou une réaction de type lyse cellulaire dans cette goutte s'il y a des cellules dans cette goutte.
On peut avoir une variante dans laquelle l'ouverture est pratiquée dans la couche 29 du substrat inférieur, en vue d'un contact entre la goutte 22 et le conducteur 50.
Selon encore une autre variante de ce dispositif, les deux électrodes sont toutes deux situées, soit dans le substrat inférieur, soit dans le substrat supérieur. Aucune des électrodes n'est plus située en contact mécanique avec la goutte.
Le cas de deux électrodes enterrées dans le substrat inférieur est similaire au cas exposé ci- dessus en liaison avec les figures 4A - 4B, auquel un substrat supérieur 120 tel que celui de la figure 6 serait ajouté pour confiner la goutte 22.
Le cas de deux électrodes enterrées dans le substrat supérieur est illustré sur les figures 9A - 9B, sur lesquelles des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2C y désignent des éléments identiques ou similaires.
Deux caténaires 130 et 132 sont enterrés dans le substrat 120, par exemple sous la couche 20 hydrophobe 129.
La figure 9A représente une vue longitudinale du dispositif, sur laquelleun seul des deux caténaires enterrés est visible, cachant le deuxième.
La figure 9B représente une vue en coupe BB' du dispositif, sur laquelle les deux caténaires enterrés 130, 132 sont visibles, au-dessus d'une électrode 24-1 qui cache les autres électrodes du réseau 24.
Pour un déplacement d'une goutte 22, une ou plusieurs des électrodes 24 est/sont sous tension, ainsi que, par exemple, le caténaire 130; comme déjà expliqué ci-dessus, l'activation d'une des électrodes 24 va induire un déplacement de la goutte 22.
Puis, pour des mesures, une tension est appliquée à chacun des caténaires 130 et 132, générant une différence de potentiel entre ces deux caténaires, ce qui peut induire un chauffage de cette goutte, et/ou une réaction d'électroporation et/ou une réaction de type lyse cellulaire dans cette goutte (cette configuration est illustrée en figures 9A et 9B).
L'invention peut être mise en oeuvre avec une rangée d'électrodes 24, donc un arrangement linéaire de ces électrodes.
Ces électrodes peuvent cependant, dans le 15 cadre de l'invention, être disposées selon tout schéma, et en particulier en 2 dimensions.
Un autre aspect de l'invention est donc représenté par les figures 10A et 10B sur lesquelles des références numériques identiques à celles des figures 2A - 2C y désignent des éléments identiques ou similaires.
Sur la figure 10A, le substrat 20 supporte une matrice d'électrodes 24, réparties en lignes et en colonnes, recouvertes d'une couche isolante 28 et d'une couche hydrophobe 29.
Plusieurs couples de micro-caténaires 30,32 sont mis en parallèles suivant les lignes d'électrodes.
Ces micro-caténaires peuvent être positionnées à une distance donnée de la surface du substrat grâce à des espaceurs 70.
De cette manière, il est possible de travailler en parallèle sur plusieurs lignes d'électrodes, et de déplacer plusieurs gouttes par des méthodes précédemment décrites.
La technique des espaceurs peut aussi être utilisée en liaison avec les autres modes de réalisation afin de maintenir un caténaire à une distance prédéterminée de la couche hydrophobe 29.
Un autre aspect de l'invention est représenté sur la figure 10B.
Le substrat 20 supporte une matrice d'électrodes 24, réparties en lignes et en colonnes, recouvertes d'une fine couche isolante 28 et d'une couche hydrophobe 29.
Une première série de micro-caténaires 30,32 est mise en parallèle suivant les lignes d'électrodes Ces micro-caténaires sont positionnées à une distance donnée de la surface du substrat grâce à des espaceurs 70.
Une deuxième série de micro-caténaires 130, 132 est mise en parallèle mais placée perpendiculairement à la série de micro-caténaires 30, 32, c'est-à-dire suivant la direction des colonnes d'électrodes 24.
Ces micro-caténaires sont positionnées à une distance donnée de la surface du substrat grâce à des espaceurs 72.
Les espaceurs 70 et 72 peuvent être de 30 hauteurs différentes. Ainsi, il est possible de déplacer des gouttes suivant deux directions perpendiculaires.
Pour ce qui concerne la réaction ou le chauffage à induire dans une goutte de liquide, ces modes de réalisation 2D fonctionnent de la même manière que ce qui a été décrit ci-dessus en liaison avec les figures 2A- 9B: l'activation de deux électrodes voisines 30,32 ou 130,132 induit une différence de potentiel entre ces deux électrodes et une réaction ou un chauffage dans le liquide de la goutte.
Les électrodes de ces modes de réalisation 2D sont reliées à des moyens de commutation, non représentés sur les figures 10A et 10B mais de manière analogue à ce qui a été décrit ci-dessus en liaison avec les figures précédentes.
Ces modes de réalisations 2D peuvent également mettre en oeuvre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison: - une ou deux électrodes enterrées pour une ou plusieurs lignes et/ou colonnes d'électrodes 24, - un deuxième substrat de confinement, muni d'une surface hydrophobe, avec éventuellement, là encore, une ou deux électrodes enterrées pour une ou plusieurs lignes et/ou colonnes d'électrodes 24. La surface hydrophobe de ce deuxième substrat peut être munie d'ouvertures de contact telle que l'ouverture 127 de la figure 8B.
D'une manière générale, dans les modes de réalisation mettant en oeuvre un ou des conducteur(s) enterré(s), l'économie est faite d'une étape de câblage filaire; en outre (la surface mouillée est seulement localisée sur les surfaces hydrophobes 29 et 129) sont alors utilisées au mieux les propriétés de mouillage de la couche 29, 129 correspondante.
Typiquement, la distance entre les conducteurs 30, 32 (figures 2A - 3B, 5 - 7) d'une part et la surface hydrophobe 29 est par exemple comprise entre 1 pm et 100 pm ou 500 pm.
Les caténaires 30, 32 se présentent par exemple sous la forme de fils de diamètre compris entre 10 pm et quelques centaines de pm, par exemple 200 pm. Ces fils peuvent être des fils d'or ou d'aluminium ou de tungstène ou d'autres matériaux conducteurs.
L'électrode enterrée est obtenue par dépôt, puis gravure d'une fine couche d'un métal choisi parmi Au, Al, Ito, Pt, Cu, Cr, ... grâce aux technologies classiques de microtechnologies. L'épaisseur est de quelques dizaines de nm à quelques pm. La largeur du motif est de quelques pm à quelques nm (électrodes planes).
Lorsque deux substrats 20, 120 sont utilisés (figures 5 - 9B), ils sont distants d'une distance comprise entre, par exemple, 10 pm et 100 pm ou 500 pm.
Quel que soit le mode de réalisation considéré, une goutte de liquide 22 aura un volume compris entre, par exemple, 1 nanolitre et quelques microlitres, par exemple entre 1 nl et 5 pl ou 10 pl.
En outre chacune des électrodes 24 aura par exemple une surface de l'ordre de quelques dizaines de pm2 (par exemple 10 pm2) jusqu'à 1 mm2, selon la taille des gouttes à transporter, l'espacement entre électrodes voisines étant par exemple compris entre 1 pm et 10 pm.
La structuration des électrodes 24 peut être obtenue par des méthodes classiques des micro- technologies, par exemple par photolithographie. Les électrodes 24 sont réalisées par dépôt d'une couche métallique (Au, Al, ITO, Pt, Cr, Cu, ...) par photolithographie.
Le substrat est ensuite recouvert d'une couche diélectrique en Si3N4, SiO2, Enfin, un dépôt d'une couche hydrophobe est effectué, comme par exemple un dépôt de Téflon réalisé à la tournette.
Des procédés de réalisation de puces incorporant un dispositif selon l'invention peuvent être directement dérivés des procédés décrits dans le document FR - 2 841 063: au lieu de réaliser un caténaire par rangée d'électrodes, on en réalise deux, ou bien on réalise un conducteur plan enterré et un caténaire.
Des conducteurs, et notamment des caténaires, enterrés peuvent être réalisés par dépôt d'une couche conductrice et gravure de cette couche suivant le motif approprié de conducteurs, avant dépôt de la couche hydrophobe.
Un exemple de détection électrochimique d'une espèce rédox va être donné. Cette détection est réalisée en utilisant un dispositif selon l'invention, par exemple le dispositif des figures 2A - 2B.
Une goutte de lpl d'une solution de 30 ferri/ferrocyanure de potassium (10-2M) est déposée sur la surface hydrophobe 29.
Cette goutte est en contact avec les deux caténaires 30, 32.
Lors de la mesure, le caténaire 30 ayant servi au déplacement joue le rôle d'électrode de travail alors que la seconde électrode 32 joue le rôle de contre-électrode et d'électrode de référence.
Une mesure électrochimique est alors réalisée en voltampérométrie cyclique par balayage en potentiels entre -400mV et +300mV par rapport à l'électrode de référence.
Comme le montre la figure 11, un système rédox classique du couple Fe"/Fein est obtenu.
Plus généralement, l'électrochimie permet de décrire les phénomènes chimiques couplés à des 15 échanges réciproques d'énergie électrique.
La réaction électrochimique qui se produit à la surface d'une électrode est le résultat du transfert de charge électrique à travers l'interface entre celle-ci et une espèce électroactive (dans un sens ou dans l'autre).
En général, deux électrodes (électrode de travail et contre-électrode) sont immergées dans une solution électrolytique contenant une espèce électroactive.
Une troisième électrode (électrode de référence) sert à référencer le potentiel de l'électrode de travail.
Ainsi, lorsque deux électrodes sont connectées par un circuit de résistance non infinie (l'électrolyte est conducteur), le courant non nul circule dans la cellule électrochimique. Cette circulation implique trois mécanismes différents: - dans les électrodes, le courant circule par déplacement des électrons (porteurs de charges), - aux interfaces électrode/liquide, le courant circule par le biais de réactions rédox qui s'y déroulent (transfert d'électrons entre électrode et solution ou espèce rédox), - dans la solution, le courant circule par déplacement des ions (porteurs de charges).
Il est également possible de réaliser cette mesure électrochimique entre deux électrodes, par exemple les électrodes de l'un des dispositifs tels que décrit ci-dessus en relation avec les figures 2A - 2B, 3A - 3B, 5 - 7, 8B, 10A - 10B: - l'une des électrodes du dispositif joue le rôle d'électrode de travail, - l'autre, la seconde électrode, joue à la fois le rôle de contre- électrode et d'électrode de référence.
L'électrophorèse est un procédé connu permettant la séparation d'espèces chargées. En effet des molécules chargées présentent dans un champ électrique se mettront à migrer vers l'électrodes de charge opposée. La vitesse de migration dépendra du ratio charge/masse de la molécule, ce qui permet de séparer efficacement des espèces moléculaires de charges/masse différentes.
Les électrodes d'un dispositif selon l'invention, notamment tel que décrit ci-dessus en liaison avec les figures 2A - 10B, peuvent servir à induire une telle réaction d'électrophorèse dans une goutte de liquide.
Les électrodes d'un dispositif selon l'invention, notamment tel que décrit ci-dessus en liaison avec les figures 2A - 10B, peuvent également servir en tant que résistance chauffante: soit par contact, les électrodes chauffant et transférant la chaleur au liquide de la goutte 22, - soit en faisant passer un courant entre les deux électrodes, en utilisant le liquide de la goutte comme une résistance qui s'échauffe par effet Joule. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire qu'un contact direct, mécanique, soit établi entre le liquide de la goutte et au moins une des électrodes Ce type de chauffage peut être induit par exemple dans la configuration des figures 9A et 9B.
L'invention permet de mettre en oeuvre des détections ou réactions électrochimiques, lorsqu'une au moins des deux électrodes est en contact physique avec la goutte.
Elle permet également de mettre en oeuvre des réactions d'électrophorèse, ou un chauffage du liquide de la goutte 22.
L'invention peut également s'appliquer à des procédés d'électroporation, qui permettent d'ouvrir ou de modifier la membrane d'une cellule (qui est alors la goutte 22) et de faire ainsi rentrer dans la cellule d'autres produits chimiques, amenés par transport à l'aide des électrodes de la manière décrite ci-dessus, ou bien amenés manuellement, par exemple à l'aide d'une pipette.
Elle peut également s'appliquer à des procédés de lyse cellulaire, qui permettent d'éclater la membrane d'une cellule, par exemple avec une différence de tensions, appliquées aux deux électrodes 30, 32, d'environ quelques Volts, par exemple environ 100 V/mm.

Claims (31)

REVENDICATIONS
1. Dispositif de déplacement d'un petit volume de liquide sous l'effet d'une commande électrique, comportant un premier substrat à surface hydrophobe (29) muni de moyens (24) électriquement conducteurs, des deuxièmes moyens électriquement conducteurs (30, 50, 130) disposés en vis-à-vis des premiers moyens conducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte des troisième moyens conducteurs (32, 40, 60, 70, 130, 132), formant avec les deuxièmes moyens conducteurs des moyens d'analyse ou pour induire une réaction ou des moyens de chauffage d'un volume de liquide.
2. Dispositif selon la revendication 1, les deuxièmes moyens conducteurs comportant un caténaire ou un fil (30, 50, 130), sensiblement parallèle à la surface hydrophobe.
3. Dispositif selon la revendication 2, le caténaire ou le fil étant non enterré dans le premier substrat, à une distance non nulle de la surface hydrophobe.
4. Dispositif selon la revendication 3, la distance étant comprise entre 1 pm et 100 pm ou 500 pm
5. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, les troisièmes moyens conducteurs (32, 40, 60, 70, 130, 132), comportant également un caténaire ou un fil conducteur.
6. Dispositif selon la revendication 5, le caténaire ou le fil étant non enterré dans le premier substrat, à une distance non nulle de la surface hydrophobe.
7. Dispositif selon la revendication 6, 10 la distance étant comprise entre 1 pm et 100 pm ou 500 pm.
8. Dispositif selon la revendication 4, 5 ou 6, les deux caténaires ou fils étant parallèles 15 entre eux et à la surface hydrophobe (29).
9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, les deux caténaires ou fils n'étant pas parallèles entre eux, mais étant parallèles à la surface hydrophobe (29).
10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, l'un des caténaires (40, 50) étant enterré sous la surface hydrophobe (29).
11. Dispositif selon la revendication 10, les caténaires étant dirigés de manière sensiblement parallèle entre eux.
12. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, les troisièmes moyens conducteurs comportant un conducteur plan enterré sous la surface hydrophobe (29).
13. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, les deuxièmes moyens conducteurs comportant un caténaire ou un fil enterré (50) sous la surface hydrophobe (2 9) .
14. Dispositif selon la revendication 13, les troisièmes moyens conducteurs (52) comportant également un caténaire ou un fil enterré, les deux caténaires enterrés étant dirigés de manière sensiblement parallèle entre eux.
15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, les troisièmes moyens conducteurs comportant une électrode plane enterrée sous la surface hydrophobe (2 9) .
16. Dispositif selon la revendication 1, les deuxièmes moyens conducteurs comportant une électrode plane enterrée.
17. Dispositif selon la revendication 16, 25 les troisièmes moyens conducteurs comportant un conducteur enterré, de forme plane ou filaire.
18. Dispositif selon l'une des
revendications 1 à 4, les troisièmes moyens
conducteurs comportant un caténaire ou un fil dirigée perpendiculairement au caténaire ou fil des deuxièmes moyens électriquement conducteurs.
19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, comportant en outre un deuxième substrat (120) à surface hydrophobe (129), ce deuxième substrat conférant à l'ensemble une structure confinée.
20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 ou 13 ou 16, comportant en outre un deuxième substrat à surface hydrophobe (129), ce deuxième substrat conférant à l'ensemble une structure confinée, le troisième conducteur (70, 130) étant enterré dans le deuxième substrat, sous sa surface hydrophobe (129).
21. Dispositif selon la revendication 20, le troisième conducteur étant sous forme de caténaire ou de fil enterré, ou bien sous forme d'un conducteur plan enterré.
22. Dispositif selon la revendication 20 ou 21, la surface du deuxième substrat étant localement ajourée pour former une zone de contact (127) entre une goutte de liquide positionnée entre les deux substrats et le troisième conducteur.
23. Dispositif selon l'une des revendications 19 à 22, le deuxième substrat étant disposé à une distance du premier substrat comprise entre 10 pm et 100 pm ou 500 pm.
24. Dispositif selon la revendication 1, comportant en outre un deuxième substrat à surface hydrophobe (129), ce deuxième substrat conférant à l'ensemble une structure confinée, le deuxième et le troisième conducteurs (130, 132) étant enterrés dans le deuxième substrat, sous sa surface hydrophobe (129).
25. Dispositif selon la revendication 24, les deuxième et troisième conducteurs étant chacun sous 10 forme de caténaire ou de fil.
26. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 25, la surface hydrophobe du premier substrat et/ou celle du deuxième substrat étant en téflon.
27. Procédé de traitement d'une goutte (22) de liquide par réaction électrochimique comportant: - la mise en contact d'une goutte (22) de liquide avec les électrodes d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, ou 16 à 21, - l'application d'une différence de potentiel entre les premier et deuxième moyens 25 conducteurs.
28. Procédé de traitement d'une goutte (22) de liquide par électrophorèse comportant: - la mise en contact d'une goutte (22) de liquide avec les électrodes d'un dispositif selon l'une
des revendications 1 à 26,
- l'application d'une différence de potentiel entre les premier et deuxième moyens conducteurs.
29. Procédé de traitement d'une cellule par lyse cellulaire comportant: la mise en contact d'une cellule avec les électrodes d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 26, - l'application d'une différence de potentiel entre les premier et deuxième moyens conducteurs.
30. Procédé de chauffage d'une goutte (22) de liquide conducteur par effet joule comportant: - la mise en contact d'une goutte de liquide avec les électrodes d'un dispositif selon l'une
des revendications 1 à 26,
- l'application d'une différence de potentiel entre les premier et deuxième moyens conducteurs.
31. Procédé de traitement d'une cellule par électroporation comportant: la mise en contact d'une cellule avec les électrodes d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 26, - l'application d'une différence de potentiel entre les premier et deuxième moyens 30 conducteurs. 10
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