FR2876045A1 - Dispositif pour realiser la separation dielectrophoretique de particules contenues dans un fluide - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide, comprend deux types d'électrodes A et B, chacun des deux types d'électrodes étant porté à un potentiel différent, de telle sorte à générer un champ électrique au sein dudit fluide, les deux types d'électrodes A et B étant positionnés au sein d'une enceinte, elle-même munie d'une surface de collecte des particules.Chacun des deux types d'électrodes est immergé dans le fluide au sein de l'enceinte et est situé dans un plan différent du plan de la surface de collecte des particules.Les deux types d'électrodes sont alimentés en courant électrique en opposition de phases.Le potentiel de chacun des deux types d'électrodes présente un gradient fonction de la distance selon la direction oz perpendiculaire au plan de la surface de collecte des particules.
Description
DISPOSITIF POUR REALISER LA SEPARATION DIELECTROPHORETIQUE DE PARTICULES
CONTENUES DANS UN FLUIDE.
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif destiné à réaliser la séparation diélectrophorétique d'un fluide, et notamment d'un liquide, afin notamment de permettre l'isolation ou le recueil de particules au sens large, contenues dans un tel fluide.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
On connaît à ce jour différentes technologiques, destinées à permettre la séparation de mélanges de substances physiques, et ce, à des fins variées. Ces technologies ont en outre évoluées, permettant ainsi la manipulation d'objets de très petites dimensions, et imposant de fait, l'absence de tout contact entre lesdites particules et les moyens permettant leur séparation.
Les objets dont il est question dans la présente invention, appartiennent à différents domaines techniques. Ainsi, en biologie, ces particules sont constituées, de manière non limitative, de cellules biologiques, comme des bactéries (quelques dizaines de micromètres) et/ou des biomolécules (ADN, enzymes, protéines, liposomes...), dont les tailles peuvent descendre à quelques dizaines de nanomètres, voire même quelques nanomètres.
En chimie, ces objets peuvent être constitués de molécules, ou d'agrégats de molécules (micelles).
De manière générale, ces objets peuvent être constitués de particules solides en milieu liquide (suspension), des colloïdes, voire encore des aérosols.
Dans la suite de la description, ces différents types d'objet seront dénommés selon l'expression générique particules .
De nombreuses applications technologiques et industrielles visent très précisément 35 l'isolation pour analyse, tri, décompte, etc.... de ces particules, susceptibles de se déplacer dans un fluide, notamment dans un liquide.
A titre d'exemple, on peut citer le domaine de la biosécurité, des contrôles sanitaires, des contrôles qualité agroalimentaires, la recherche de nouveaux médicaments. On peut également mentionner les applications mettant en oeuvre les micro-capsules et les micro-sphères (peintures, cosmétiques, domaine alimentaire), les aérosols (pollution atmosphérique), etc...
Parmi les différentes technologies de déplacement d'une ou de plusieurs particules au sein d'un fluide, on peut citer: o la convection: le principe repose sur l'entraînement des particules par le fluide lui-même, et impose donc la mise en déplacement de celui-ci. Le contrôle du mouvement des particules impose le contrôle du mouvement du fluide; o la mise en oeuvre des propriétés physiques des particules, et notamment: les propriétés magnétiques: magnétophorèse. L'application d'un champ magnétique permet alors d'assurer le contrôle de leur déplacement; 15 les propriétés électriques: É électrophorèse: l'application d'un champ électrique É sur une particule chargée induit la genèse d'une force dite de Coulomb. La particule chargée électriquement se déplace parallèlement au champ électrique dans une direction dépendant du signe de sa charge électrique.
É diélectrophorèse: cette technologie met en oeuvre un gradient de champ électrique, qui induit une action sur toute matière présentant des propriétés diélectriques, chargée ou non. Un tel gradient de champ électrique suppose donc que celui-ci ne soit pas uniforme. Les particules polarisées sous l'effet du champ électrique se déplacent soit vers les zones où le champ électrique est le plus intense, et on parle alors de diélectrophorèse positive, soit vers les zones où le champ électrique est le plus faible, et on parle alors de diélectrophorèse négative, selon que les particules sont plus ou moins polarisables par rapport au fluide dans lequel elles sont immergées.
La mise en oeuvre du phénomène de diélectrophorèse dans le cadre de la séparation des matériaux, a été décrite, par exemple dans le document USA-3 162 592.
Ce phénomène de diélectrophorèse présente un certain nombre d'avantages, justifiant 35 son utilisation dans le cadre de la séparation de matériaux.
Tout d'abord, il permet de manipuler de la matière neutre, c'est à dire dont la charge électrique résiduelle est nulle, ou voisine de zéro.
En outre, il permet de travailler avec des champs électriques alternatifs. En effet, le champ électrique appliqué étant non uniforme, la polarisation s'inverse avec le sens du champ, mais la force diélectrophorétique reste orientée dans le même sens.
En d'autres termes, les particules soumises au gradient de champ électrique ne voient pas le changement de signe du champ électrique appliqué. Ce faisant, il est possible de déplacer une particule polarisable par diélectrophorèse avec un signal alternatif.
Par voie de conséquence, les inconvénients liés à l'électrophorèse sont alors inhibés. En effet, il est rappelé qu'en électrophorèse, l'inversion du champ électrique entraîne l'inversion de la force de Coulomb appliquée, de sorte qu'une particule chargée va osciller autour d'une position d'équilibre, et ne sera globalement pas déplacée.
En outre, la mise en oeuvre du champ électrique alternatif permet de réduire, voire de supprimer les réactions électrochimiques parasites, susceptibles de se produire notamment au niveau des électrodes dans les systèmes électriques en solution liquide ionique. On cherche à lutter contre ces phénomènes, dans la mesure où ils induisent en général des dégagements gazeux aux électrodes, et modifient en outre localement les caractéristiques chimiques des milieux.
Depuis la description de ce phénomène de diélectrophorèse, la miniaturisation des systèmes a permis d'obtenir des champs électriques suffisamment intenses pour envisager la mise en oeuvre de ce phénomène sur des particules submicroniques, voire de taille nanométrique. En effet, on a pu démontrer que la force diélectrophorétique est proportionnelle au volume de la particule. De fait, plus la particule est petite, plus il faut augmenter l'intensité du champ électrique pour la déplacer par diélectrophorèse.
Traditionnellement, les électrodes générant un gradient de champ électrique sont déposées sur une surface plane (verre, silicium passivé, etc...) conduisant donc à des systèmes à configuration planaire.
Dans de tels systèmes, le fluide et les particules qu'il contient, sont en contact avec le plan supérieur des électrodes.
2876045 4 Les types les plus répandus sont les électrodes interdigitées, les électrodes crénelées, et les quadrupôles (voir figures la, lb, 1c, respectivement). On a en outre représenté en figure 2, une section transversale d'une configuration planaire à électrodes interdigitées.
Les configurations planaires présentent cependant un certain nombre d'inconvénients majeurs, qui vont être décrits ci-après.
Tout d'abord, dans une telle configuration planaire, la force diélectrophorétique FDEP 1 o présente une faible portée dans la direction perpendiculaire au plan des électrodes, c'est à dire dans le volume du fluide contenant les particules (axe oz sur les figures). Ainsi, dans le cas des systèmes interdigités en régime de diélectrophorèse positive, la force est maximale au contact de l'arête de l'électrode.
En revanche, son intensité décroît exponentiellement lorsque l'on s'éloigne de l'électrode dans la direction oz, c'est à dire dans le plan perpendiculaire au plan des électrodes, selon la relation: VO -3.1412z/d FDEP oc 3.e dans laquelle d est la distance entre le centre de l'espace séparant deux électrodes adjacentes et le centre de l'électrode, Vo est l'amplitude crête de la tension appliquée à l'électrode, et z désigne la distance selon l'axe oz séparant la mesure de la force par rapport au plan des électrodes.
On observe que l'arête de l'électrode crée un effet de coin, au niveau duquel le champ électrique est maximum. On démontre en outre que la portée de la force diélectrophorétique selon oz est efficace dans une zone de rayon égale à environ 40% du paramètre d, c'est à dire de la distance entre le centre de l'intervalle inter-électrode et le centre de l'électrode considérée.
Or, la collecte des particules sous l'effet des forces diélectrophorétiques est efficace en volume, si la dimension h du fluide située au-dessus des électrodes est de l'ordre de grandeur du motif d des électrodes. d
En d'autres termes, cette efficacité s'avère des plus limitée, ou impose de travailler avec des volumes très limités du fluide à traiter.
Pour pallier cet inconvénient relativement rédhibitoire, dès lors que l'on souhaite traiter des hauteurs de fluide importantes, il pourrait être envisagé d'augmenter fortement la surface des électrodes. Cependant, cette solution défavorise complètement la détection qui devient alors d'autant plus difficile à mettre en oeuvre, et d'autant plus lente que la surface du capteur est grande.
Un autre des inconvénients majeurs des systèmes à configuration planaire réside dans le fait que la nature électrique du couple particules-fluide peut rendre la collecte inefficace du fait d'un régime de diélectrophorèse négative.
On peut ainsi observer dans une telle configuration une annulation totale de la collecte desdites particules par les électrodes. En effet, lorsque les électrodes sont alimentées par un signal électrique, alternatif ou non, deux types de régime de diélectrophorèse peuvent avoir lieu: la diélectrophorèse dite positive, dans laquelle les forces diélectrophorétiques sont orientées en direction des zones à forte intensité de champ électrique, et donc en direction des électrodes, et la diélectrophorèse négative, dans laquelle les forces diélectrophorétique sont orientées en direction des zones à faible valeur de champ électrique, et donc dans une direction opposée auxdites électrodes.
Or, le sens de la force diélectrophorétique développée par les électrodes planaires dépend d'une part, de la fréquence du signal électrique appliqué aux électrodes, mais également de paramètres indépendants de l'alimentation électrique proprement dite, à savoir les propriétés électriques du couple particules/fluide. On démontre notamment que l'influence de la valeur de la conductivité électrique du fluide porteur des particules sur le régime de diélectrophorèse est particulièrement significative.
Ainsi, un composant conçu pour collecter des particules par attraction diélectrophorétique se retrouve inefficace si les conditions électriques, et notamment la nature du couple particules fluide rend le régime de diélectrophorèse toujours négatif. Par exemple, un fluide trop conducteur peut rendre un composant à configuration planaire incapable de la moindre collecte sur ses électrodes. Or, ce genre de problème est communément rencontré en biologie, où les liquides sont généralement des solutions ioniques aqueuses, donc fortement conductrices.
Enfin, dans les systèmes à configuration planaire, les forces diélectrophorétiques peuvent être inhibées par des forces concurrentes issues également du champ électrique appliqué, et notamment de l'électroconvection. Par électro-convection, on entend tous les phénomènes de mise en mouvement du fluide (convection du fait de l'existence d'un champ électrique qui lui est appliqué) et notamment la mise en mouvement par électro-osmose (présence de charges sur les électrodes) et la mise en mouvement par échauffement Joule (présence d'un courant électrique dans le fluide).
Le fluide en mouvement entraîne les particules du fait de leur petite taille: ce 10 mouvement de convection se superpose alors au mouvement diélectrophorétique, qui peut parfois être complètement inhibé si les zones d'accumulation associées à chaque phénomène ne sont pas les mêmes.
L'électro-convection constitue alors un phénomène parasite, qui se retrouve 15 notamment dans les systèmes à configuration planaire, où l'entraînement par électro- convection va en général à l'encontre des forces diélectrophorétiques: par exemple dans les systèmes à électrodes interdigitées, l'électro- convection induit la création de zones d'accumulation situées au milieu des électrodes et/ou au centre de l'espace inter- électrodes, qui ne sont pas localisées au même endroit que celles dues à la 20 diélectrophorèse, constituées, comme déjà dit, par l'arête desdites électrodes.
Ce phénomène d'électro-convection est un phénomène qui dépend de la fréquence d'alimentation électrique des électrodes, et qui s'avère d'autant plus important que les particules sont petites.
En général, ce phénomène diminue quand la fréquence augmente, alors que la diélectrophorèse positive nécessite de ne pas travailler au-dessus de la fréquence de coupure, correspondant à la fréquence marquant le changement de régime de diélectrophorèse positive en diélectrophorèse négative.
En d'autres termes, il n'est donc pas toujours possible de s'affranchir de l'électroconvection en jouant sur la fréquence.
Il a été proposé d'autres types de configurations, que la configuration planaire décrite précédemment. Ainsi, dans le document US 2004/0011650, on a proposé un système pour confiner des molécules d'ADN en mettant en oeuvre un dispositif permettant notamment d'induire des gradients de champ électrique, et donc des forces diélectrophorétiques dans des orifices réalisés au sein d'une membrane isolante, en l'espèce du quartz, située entre deux électrodes. Les orifices contraignent le champ électrique à resserrer ses lignes de champ, créant ainsi le gradient recherché. Les orifices constituent donc les zones de collecte. Cependant, il peut être observé que les forces diélectrophorétiques demeurent localisées au voisinage des orifices de la membrane, et ne permet donc pas d'obtenir un champ de force réparti dans tout le volume du fluide. De plus, ce système ne permet pas la collecte de particules en régime de diélectrophorèse négative.
Claims (10)
1. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide, comprenant deux types d'électrodes A et B, chacun des deux types d'électrodes étant porté à un potentiel différent, de telle sorte à générer un champ électrique au sein dudit fluide, les deux types d'électrodes A et B étant positionnés au sein d'une enceinte ou canalisation recevant le fluide soumis à la séparation diélectrophorétique, ladite enceinte étant elle-même munie d'une surface de collecte des particules, caractérisé : en ce que chacun des deux types d'électrodes est immergé dans le fluide au sein de l'enceinte ou canalisation, et est situé dans un plan différent du plan de la surface de collecte des particules; en ce que les deux types d'électrodes sont alimentés en courant électrique en opposition de phases; et en ce que le potentiel de chacun des deux types d'électrodes présente un gradient fonction de la distance selon la direction oz perpendiculaire au plan de la surface de collecte des particules.
2. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes sont recouvertes d'une couche réalisée en un matériau isolant électriquement.
3. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux groupes A et B sont chacun composés d'une électrode unique, alimentées à un potentiel de valeur crête Vo, et en ce que la surface de chacune desdites électrodes est en contact avec le fluide à traiter présente un profil incliné par rapport à l'horizontale.
4. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune des électrodes constitutives des groupes A et B présente une section longitudinale trapézoïdale rectangle, dont la face inclinée est en contact avec le fluide.
5. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide selon la revendication 3,caractérisé en ce que chacune des électrodes constitutives des groupes A et B présente une section longitudinale rectangulaire.
6. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune desdites électrodes présente une surface en contact avec le fluide perpendiculaire au plan de la surface de collecte des particules, et en ce que la face des électrodes dirigée vers le fluide est revêtue d'une couche réalisée en un matériau isolant, d'épaisseur croissante ou décroissante selon la direction perpendiculaire au plan de la surface de collecte des particules.
7. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux groupes A et B sont chacun composé d'une pluralité d'électrodes empilées les unes sur les autres selon la direction perpendiculaire au plan de la surface de collecte des particules, lesdites électrodes étant séparées deux à deux par un isolant électrique, et lesdites électrodes de chacun des groupes A et B étant soumises à une variation spatiale selon la direction oz du potentiel qui leur est appliqué.
8. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux groupes A et B sont chacun composé d'une pluralité d'électrodes empilées les unes sur les autres selon la direction perpendiculaire au plan de la surface de collecte des particules, lesdites électrodes étant séparées deux à deux par un isolant électrique, et lesdites électrodes de chacun des groupes A et B étant soumises à une variation séquentielle et temporelle d'un potentiel, constant ou non, qui leur est appliqué.
9. Dispositif pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide selon la revendication 8, caractérisé en ce que les électrodes de chacun des groupes A et B sont consécutivement portées à un potentiel déterminé, selon la direction perpendiculaire au plan de la surface de collecte des particules, de telle sorte à induire un gradient spatio-temporel du potentiel et corollairement une force diélectrophorétique.
10. Dispositif complexe pour réaliser la séparation diélectrophorétique de particules présentes au sein d'un fluide, caractérisé en ce qu'il est constitué par l'assemblage d'une pluralité de dispositifs élémentaires selon l'une des revendications 1 à 9.
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