FR2936167A1

FR2936167A1 - Micro-dispositif d'analyse d'echantillons liquides.

Info

Publication number: FR2936167A1
Application number: FR0856390A
Authority: FR
Inventors: Laurent Davoust; Jerome Boutet; Cyril Picard
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2008-09-23
Filing date: 2008-09-23
Publication date: 2010-03-26
Also published as: EP2165753A3; JP2010078603A; US20100072078A1; EP2165753A2

Abstract

L'invention concerne un dispositif de formation d'ondes à l'interface (I) d'une goutte de liquide (F1), permettant le micro-mélange et la concentration de constituants à l'interface (I) de la goutte (F1). Le dispositif comprend au moins une électrode d'excitation (20 ; 30) adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un premier axe de symétrie, sous l'effet d'une commande électrique, et une goutte de liquide (F1) disposée sur ladite électrode d'excitation (20 ; 30) et présentant un axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, de sorte que ledit champ électrique génère des ondes axisymétriques par électromouillage à l'interface (I) de ladite goutte (F1).

Description

1 MICRO-DISPOSITIF D'ANALYSE D'ECHANTILLONS LIQUIDES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine général de l'analyse d'échantillons liquides, en particulier pour la détection de constituants éventuellement présents dans l'échantillon.

Elle se rapporte également au domaine de la microfluidique discrète dans la mesure où l'échantillon liquide à analyser peut se présenter sous forme de goutte. Le terme de goutte comprend ici les gouttes sensiblement hémisphériques, les flaques ou encore les ponts capillaires. L'invention concerne notamment un dispositif de formation d'ondes de surface à l'interface d'une goutte de liquide par électromouillage. L'invention proposée trouve de nombreuses applications dans la concentration et la détection de cibles biologiques ou chimiques, la caractérisation rhéologique d'échantillons fluides, voire la transmission de mouvements en microfluidique.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Dans de nombreux domaines, on cherche à détecter des constituants éventuellement présents dans une goutte de liquide. Ce peut être le cas, par exemple, pour établir un 30 diagnostic biologique ou médical, ou encore dans le 2 domaine du génie génétique ou agroalimentaire. On peut chercher à détecter ou doser notamment des macromolécules, des cellules, des analytes, des organites, des pathogènes, des intercalants.

C'est également le cas dans le domaine de l'industrie électronucléaire, où il est essentiel de pouvoir détecter les éléments radioactifs présents dans les effluents liquides, en particulier les actinides qui forment avec le plutonium les déchets les plus dangereux. La détection environnementale, plus largement, cherche à déterminer la concentration notamment de pathogènes, de métaux, de particules solides, de colloïdes dans des liquides d'intérêt.

Dans la plupart de ces domaines, on cherche à analyser des échantillons liquides de petit volume en un temps réduit de la manière la plus simple et la moins intrusive possible. La microfluidique discrète (ou digitale) permet la manipulation et le déplacement de gouttes de très faible volume. Elle joue un rôle croissant dans le développement de nouveaux micro-systèmes tels que les laboratoires sur puce, et permet de réaliser en chaîne de nombreuses étapes d'analyse.

Elle se distingue de la microfluidique continue (en canaux) notamment par la possibilité de s'affranchir de pompes, de vannes, de parois nécessaires au confinement de l'écoulement... Les contaminations physicochimiques pariétales peuvent ainsi être minimisées, voire écartées. 3 A titre illustratif, on peut citer les biopuces qui constituent, dans le domaine de la biologie moléculaire, des systèmes d'analyse de l'hybridation d'acides nucléiques (ADN et/ou ARN), ou de l'interaction de type antigène/anticorps, protéine/ligand, protéine/protéine, enzyme/substrat, etc. On cherche alors à obtenir les paramètres cinétiques ou les constantes d'équilibres associés à ces interactions chimiques.

La détection de molécules biologiques peut être effectuée à partir de techniques PCR ou ELISA connues de l'homme du métier. Ces techniques utilisent habituellement le greffage d'une molécule sonde marquée d'un composé fluorescent. Le taux de fluorescence émise est ensuite mesuré par des moyens optiques pour ainsi quantifier le processus d'hybridation. Ces techniques de détection sont généralement précédées d'une préparation de l'échantillon liquide à analyser. La préparation peut consister à réaliser le mélange ou le brassage du liquide de l'échantillon, puis la concentration des molécules biologiques dans une zone déterminée, par exemple à l'interface fluide de l'échantillon liquide. Un exemple de dispositif permettant de réaliser ces opérations de préparation, pour ensuite détecter les molécules biologiques présentes dans une goutte, est décrit dans la demande de brevet WO2008/068229 déposée au nom de la demanderesse. Ce dispositif permet de générer un écoulement circulant, ou vortex, à l'intérieur de la goutte par électrohydrodynamique sans induire de déformation 4 interfaciale ni de déplacement d'ensemble de la goutte. Ce vortex réalise alors un mélange du liquide de la goutte, par brassage ou centrifugation, ce qui permet d'accélérer la cinétique d'hybridation tout en étant compatible avec les contraintes de miniaturisation. Il permet également de concentrer les constituants à l'interface de la goutte sous l'effet d'une force centrifuge, pour une détection plus sensible. Pour générer ce vortex, la goutte est disposée sur une couche de diélectrique recouvrant deux électrodes présentant des bords en forme de zigzag, en regard l'un de l'autre. L'application d'une différence de potentiel entre ces deux électrodes donne naissance à un champ électrique oblique par rapport à l'interface de la goutte, du fait de la forme des bords et de la position de la goutte. La composante tangentielle du champ électrique provoque alors le déplacement des charges électriques accumulées à l'interface, qui induit par viscosité un écoulement du liquide à l'intérieur de la goutte. Ce dispositif permet ainsi de mélanger le liquide de la goutte et de concentrer les constituants à l'interface de la goutte, permettant ainsi de réaliser une purification, une extraction, voire une détection plus précise. Le dispositif selon l'art antérieur présente cependant un certain nombre d'inconvénients. L'intensité du vortex généré dépend de celle du champ électrique. Or, celle-ci diminue fortement à mesure que l'on s'éloigne des électrodes. Aussi, le vortex est sensiblement localisé à proximité des électrodes. Le mélange réalisé dans la goutte n'est alors pas homogène, et les constituants sont davantage concentrés à proximité des électrodes et de la ligne triple. 5 Or, il peut être recherché d'obtenir une concentration significative à distance de la ligne de contact et du plan des électrodes, par exemple à l'apex de la goutte, pour ainsi éviter les perturbations dues aux conditions aux limites (ligne triple) et aux parois, et permettre une détection ultérieure plus facile, ce que le dispositif selon l'art antérieur ne permet pas. Par ailleurs, le vortex ne permet pas de donner par lui-même les informations recherchées sur les constituants éventuellement présents dans la goutte, comme leur concentration ou les paramètres cinétiques d'interactions chimiques ou biologiques, si ce n'est en mettant en oeuvre des techniques lourdes de visualisation du champ de vitesse, comme la micro-PIV (Vélocimétrie par Image de Particules). Il est alors nécessaire d'utiliser des techniques de détection (PCR, ELISA...) qui font appel au marquage de molécules sondes, et qui entraînent un coût et un temps de traitement élevés.

EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant d'assurer le mélange du liquide d'une goutte et une concentration significative de constituants éventuellement présents à l'interface dans 6 une zone de l'interface sensiblement éloignée de la ligne triple de la goutte. Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet un dispositif de formation d'ondes à l'interface d'une goutte de liquide. Selon l'invention, ledit dispositif comprend au moins une électrode d'excitation adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un premier axe de symétrie, sous l'effet d'une commande électrique, et une goutte de liquide disposée sur ladite électrode d'excitation et présentant un axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, de sorte que ledit champ électrique génère des ondes axisymétriques par électromouillage à l'interface de ladite goutte. Ainsi, ces ondes axisymétriques générées par électromouillage au niveau de la ligne triple se propagent uniformément sur toute l'interface de la goutte et entraînent un micro-mélange sensiblement homogène du liquide de la goutte. Le caractère axisymétrique des ondes permet d'obtenir un mode résonant dans une zone déterminée éloignée de la ligne triple et de l'électrode d'excitation. On peut alors obtenir une concentration potentiellement significative dans cette zone de constituants éventuellement présents à l'interface, notamment de constituants de taille plus importante. A titre illustratif, dans le cas d'une goutte semisphérique, le mode résonant est obtenu sensiblement à l'apex (sommet) de la goutte. 7 De plus, la concentration de constituants à l'interface peut être sensiblement homogène ou augmenter à mesure que l'on s'éloigne du plan de mouillage contenant la ligne triple de la goutte, selon que ces ondes axisymétriques sont sensiblement stationnaires ou progressives. Avantageusement, lesdites ondes formées présentent un comportement sensiblement linéaire. De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 1. De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 10-1. De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-4 et 10-2. De préférence, lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde de l'ordre de 10-3. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une unique électrode d'excitation présentant sensiblement une forme de disque. Selon une variante, le dispositif comprend une unique électrode d'excitation sensiblement annulaire.

Selon un second mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une première électrode d'excitation sensiblement annulaire et une seconde électrode d'excitation formant contre-électrode présentant sensiblement une forme de disque entouré par ladite première électrode d'excitation. 8 Selon une variante, le dispositif comprend une première électrode d'excitation et une seconde électrode d'excitation formant contre-électrode, présentant chacune sensiblement une forme demi- annulaire arrangées en regard l'une de l'autre. Selon une variante, le dispositif comprend une première électrode d'excitation et une seconde électrode d'excitation formant contre-électrode, présentant chacune sensiblement une forme de demi- disque arrangées en regard l'une de l'autre. La ou les électrodes d'excitation peuvent comporter un bord intérieur définissant une bordure intérieure sensiblement circulaire, la ligne triple de ladite goutte étant, de préférence, sensiblement en regard de ladite bordure intérieure. La ou les électrodes d'excitation peuvent également comporter un bord extérieur définissant une bordure extérieure sensiblement circulaire, la ligne triple de ladite goutte étant, de préférence, sensiblement en regard de ladite bordure extérieure. Dans le premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif peut comporter un générateur de tension pour appliquer un potentiel électrique à ladite électrode d'excitation différent de celui de ladite goutte. Dans le second mode de réalisation de l'invention, le dispositif peut comporter un générateur de tension pour appliquer une différence de potentiel entre la première électrode d'excitation et la contre-électrode.

De préférence, ledit champ électrique induit une différence de potentiel d'électromouillage entre 9 l'électrode d'excitation et ladite goutte présentant une fréquence comprise entre 10Hz et 150Hz. Ladite différence de potentiel d'électromouillage peut présenter une amplitude comprise entre 1V et 100V.

De préférence, ladite différence de potentiel d'électromouillage présente une amplitude comprise entre 1V et 50V. Avantageusement, la ou les électrodes d'excitation sont recouvertes d'une couche d'un matériau diélectrique. Avantageusement, ladite couche diélectrique est recouverte d'une couche d'un matériau hydrophobe. Avantageusement, ladite couche diélectrique est hydrophobe.

Le dispositif peut comporter des moyens de piégeage de la ligne triple de ladite goutte. Le dispositif de formation d'ondes peut comporter, en outre, au moins une électrode d'excitation secondaire, située en face, parallèlement à ladite électrode d'excitation, adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un troisième axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, sous l'effet de ladite commande électrique.

Dans ce cas, ladite goutte peut être un pont capillaire formé entre ladite électrode d'excitation et ladite électrode d'excitation secondaire. L'invention porte également sur un dispositif d'analyse d'une goutte de liquide comprenant : - un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment, 10 - des moyens de caractérisation géométrique des ondes formées, et - des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation géométrique, pour analyser, à partir de la caractérisation géométrique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte. Selon une variante, les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées.

Les moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées peuvent être des moyens de mesure par absorption lumineuse et/ou par interférométrie. Selon une autre variante, les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface. Les moyens de mesure de la pente des ondes formées peuvent être des moyens de mesure par réfractométrie. Les moyens de caractérisation géométrique peuvent être, à la fois des moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées et des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide comprend : - un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment, - des moyens de caractérisation cinématique des ondes formées, et - des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation cinématique, pour analyser, à partir de 11 la caractérisation cinématique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte. Les moyens de caractérisation cinématique peuvent être des moyens de mesure de la vitesse normale des ondes formées. Dans le cas de l'analyse rhéologique de la goutte de liquide, la caractérisation des ondes géométrique ou cinématique permet de déterminer les propriétés physicochimiques du liquide, notamment ses propriétés interfaciales. Dans le cas de la détection des constituants présents, l'amplitude ou la pente des ondes renseigne sur les constituants présents, et permet d'obtenir les paramètres cinétiques ou les constantes d'équilibres associés à d'éventuelles interactions chimiques. Ainsi, à la différence de l'art antérieur, on peut s'affranchir de tout greffage de sonde optique ou fluorescente qui peut perturber les interactions chimiques ou les propriétés physicochimiques du liquide. De plus, les techniques de détection sont plus simples à mettre en oeuvre que dans l'art antérieur, tout en garantissant une précision élevée. On peut utiliser des techniques optiques (réfractométrie, absorption lumineuse, interférométrie, ellipsométrie) pour réaliser la caractérisation géométrique ou cinématique des ondes. De plus, le caractère axisymétrique des ondes permet d'obtenir un phénomène de résonance dans une zone de l'interface éloignée de la ligne triple. Les moyens d'analyse, à partir de la caractérisation géométrique ou cinématique des ondes, 12 de préférence dans cette zone, permettent de calculer les propriétés mécaniques ou physicochimiques du liquide, en particulier les propriétés interfaciales. On peut ainsi réaliser un diagnostic en temps réel, rapide par le fait que les étapes de mélange, de concentration et d'analyse peuvent être réalisées simultanément. La technique d'analyse est non intrusive, donc il n'y a pas de risque de dénaturation physicochimique de l'échantillon liquide, ni de perturbation de l'éventuelle organisation moléculaire à l'interface. Ainsi, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide peut réaliser l'analyse des propriétés chimiques de la goutte sans marquage de cibles biologiques ou chimiques contenues dans la goutte. Cependant, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide peut comprendre, en outre, des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées. Ainsi, l'analyse présente une précision accrue, du fait de l'utilisation de plusieurs méthodes d'analyse chimique. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide comprend un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment, et des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.

Lesdites cibles peuvent être marquées d'un composé fluorescent ou radioactif. 13 L'invention porte également sur un procédé de formation d'ondes à l'interface d'une goutte de liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes . - disposer une goutte de liquide sur au moins une électrode d'excitation présentant un premier axe de symétrie, de sorte que l'axe de symétrie de ladite goutte coïncide sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, et - générer un champ électrique oscillant et radial autour dudit premier axe de symétrie, de sorte que des ondes axisymétriques sont formées par électromouillage à l'interface de ladite goutte. Lesdites ondes peuvent présenter un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 1, de préférence entre 10-5 et 10-1, de préférence entre 10-4 et 10-2, de préférence de l'ordre de 10-3. L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment, une étape de caractérisation géométrique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation géométrique desdites ondes formées. L'étape de caractérisation géométrique peut être une mesure de l'amplitude des ondes formées. De préférence, la mesure de l'amplitude desdites ondes est réalisée dans une zone déterminée de l'interface sensiblement éloignée de la ligne triple de la goutte. 14 Alternativement, l'étape de caractérisation géométrique est une mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface. L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, une étape de caractérisation cinématique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, a partir de la caractérisation cinématique desdites ondes formées. L'étape de caractérisation cinématique peut être une mesure de la vitesse normale des ondes formées. L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide selon l'une quelconque des caractéristiques précédemment décrites, comprenant, en outre, une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.

L'invention porte sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, et une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées. L'invention porte enfin sur l'utilisation d'un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, ou d'un dispositif d'analyse selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, ladite goutte de liquide étant une goutte de sang. 15 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : 10 Les figures 1A et 1B sont des représentations schématiques en coupe longitudinale d'un dispositif illustrant le principe d'excitation d'une goutte de liquide par électromouillage ; La figure 2 est une représentation schématique en 15 coupe longitudinale d'un dispositif de formation d'ondes selon un premier mode de réalisation de l'invention comportant une unique électrode d'excitation ; Les figures 3A et 3B montrent en vue de dessus 20 différentes formes de l'électrode d'excitation selon le premier mode de réalisation ; La figure 4 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de formation d'ondes selon un second mode de réalisation de 25 l'invention comportant une électrode d'excitation et une contre-électrode planaire ; Les figures 5A à 5C montrent en vue de dessus différentes formes d'électrode d'excitation et de contre-électrode planaire ; 30 Le figure 6 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de formation5 16 d'ondes selon un troisième mode de réalisation préféré de l'invention comprenant un pont capillaire ; et La figure 7 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif d'analyse d'une goutte liquide, dans le cas de la mesure de l'amplitude des ondes formées. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PREFERE Un dispositif selon l'invention met en oeuvre un dispositif d'excitation d'une goutte de liquide par électromouillage, ou plus précisément, par électromouillage sur diélectrique. Le principe de l'électromouillage sur diélectrique mis en oeuvre dans le cadre de l'invention peut être illustré à l'aide des figures 1A et 1B, dans le cadre d'un dispositif de type ouvert. Une goutte d'un liquide électriquement conducteur F1 repose sur une électrode d'excitation 20, dont elle est isolée par une couche diélectrique 12 et une couche hydrophobe 13. On a donc un empilement hydrophobe et isolant. Le caractère hydrophobe de cette couche 13 signifie que la goutte F1 a un angle de contact, sur cette couche, supérieur à 90°.

Elle est entourée d'un fluide diélectrique F2, et forme avec ce fluide une interface I. L'électrode d'excitation 20 est formée en surface d'un substrat 11, ou intégré à celui-ci. Une contre-électrode 30, ici sous forme d'un fil caténaire, permet de maintenir un contact électrique avec la goutte F1. Cette contre-électrode 30 peut également être un fil enterré ou une électrode planaire dans le capot d'un système confiné. Cependant, elle peut également ne pas être présente.

L'électrode d'excitation 20 et la contre-électrode 30 sont connectées à une source de tension 50 permettant d'appliquer une tension d'électromouillage U entre les électrodes.

Lorsque l'électrode d'excitation 20 est activée, c'est-à-dire lorsqu'il y a contact électrique entre cette électrode 20 et la source de tension 50 via un

fil conducteur, l'ensemble goutte F1, couche diélectrique 12 et électrode activée 20 agit comme une capacité.

Comme le décrit l'article de Berge intitulé Electrocapillarité et mouillage de films isolants par l'eau , C.R. Acad. Sci., 317, série 2, 1993, 157-163, l'angle de contact de l'interface de la goutte F1 diminue alors suivant la relation : cose " = cose '°> + 1 er U2 tee où e est l'épaisseur de la couche diélectrique 12, Er la permittivité de cette couche et 6 la tension de surface de l'interface de la goutte.

Lorsque la tension d'électromouillage est alternative, le liquide se comporte comme un conducteur dans la mesure où la fréquence de la tension de

polarisation est sensiblement inférieure à une fréquence de coupure. Celle-ci dépend notamment de la conductivité électrique du liquide, et est typiquement de l'ordre de quelques dizaines de kilohertz (Voir par exemple l'article de Mugele et Baret intitulé Electrowetting: from basics to applications , J. 18 Phys. Condens. Matter, 17 (2005), R705-R774). D'autre part, la fréquence peut être sensiblement supérieure à la fréquence de réponse hydrodynamique du liquide F1, qui dépend des paramètres physiques de la goutte comme la tension de surface, la viscosité ou la taille de la goutte, et qui est de l'ordre de quelques centaines de hertz. La réponse de la goutte F1 dépend alors de la valeur efficace de la tension, puisque l'angle de contact dépend de la tension en U2.

Selon l'article de Bavière et al. intitulé Dynamics of droplet transport induced by electrowetting actuation , Microfluid Nanofluid, 4, 2008, 287-294, il apparaît une pression électrostatique agissant sur l'interface I, à proximité de la ligne de contact. L'interface se déforme de manière à respecter l'angle de contact imposé par électromouillage (figure 1B). Il est à noter que, de manière connue de l'homme du métier, l'application de cette pression électrostatique de manière asymétrique, à l'aide d'un réseau d'électrodes d'excitation, entraîne le déplacement de la goutte F1. La goutte peut ainsi être éventuellement déplacée de proche en proche sur la surface hydrophobe, par activation successive des électrodes d'excitation.

Il est donc possible de déplacer des liquides et de réaliser des protocoles complexes. Un dispositif de formation d'ondes à l'interface fluide d'une goutte de liquide selon le premier mode de réalisation préféré de l'invention est représenté schématiquement sur la figure 2, en coupe longitudinale. 19 Le dispositif comprend une électrode d'excitation 20 formant un plan et intégré dans un premier substrat 11. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une unique électrode d'excitation 20 sous forme sensiblement de disque (figure 3A). Une forme sensiblement annulaire est également possible, comme décrit plus loin en référence à la figure 3B.

On appelle plan médian de l'électrode le plan contenant l'électrode d'excitation sensiblement parallèle au plan (i,j) du repère orthonormé direct (i, j, k) . De préférence, l'électrode d'excitation 20 est recouverte d'une couche d'un matériau diélectrique 12. Avantageusement, ladite couche diélectrique 12 est recouverte d'une couche d'un matériau hydrophobe 13 (non représentée). Le dispositif de formation d'ondes comprend une goutte de liquide F1 en contact avec la couche hydrophobe de manière à recouvrir au moins partiellement l'électrode d'excitation 20. Comme il a été précisé précédemment, le terme de goutte peut désigner une goutte sensiblement semi- sphérique, une flaque, voire un pont capillaire. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, la goutte F1 est sensiblement semi-sphérique, plus précisément hémisphérique. Dans la description qui va suivre, les verbes recouvrir , être disposé sur n'impliquent pas ici nécessairement de contact direct avec l'électrode 20 d'excitation. Comme il sera décrit plus loin, la goutte peut recouvrir, ou être disposée sur l'électrode d'excitation 20, sans être en contact direct avec celle-ci, par exemple lorsqu'une couche hydrophobe 13 et/ou une couche diélectrique 12 recouvre ladite électrode 20. On appelle interface I de la goutte l'interface fluide formée entre le liquide de la goutte F1 et un fluide environnant F2.

La ligne de la goutte en contact avec la couche hydrophobe et appartenant à l'interface de la goutte est appelée ligne triple. La ligne triple est de préférence sensiblement circulaire. L'interface forme un angle de contact avec le plan de la ligne triple, cet angle étant par convention mesuré dans le liquide de la goutte. Lorsque la goutte est en contact avec la couche hydrophobe, et en l'absence de toute sollicitation électrostatique, l'angle de contact est sensiblement supérieur à 90°.

La goutte peut contenir des constituants dans le volume et à l'interface. On désigne par le terme générique de constituants toutes les espèces pouvant être présentes dans la goutte (macromolécules : ADN, ARN, protéines, cellules, organites, actinides, colloïdes ou particules solides etc.). On peut parler également de cibles biologiques ou chimiques. Selon l'invention, l'électrode d'excitation 20 présente un premier axe de symétrie et la goutte F1 présente un second axe de symétrie qui coïncide sensiblement avec le premier axe. Les premier et second 21 axes de symétrie sont de préférence sensiblement perpendiculaires au plan médian. Dans l'exemple de la figure 2, et en référence à la figure 3A, l'électrode d'excitation 20 comporte un bord 22 formant bordure extérieure. La bordure extérieure est sensiblement circulaire, du fait de l'axe de symétrie de l'électrode. Comme le montre la figure 3A qui est une vue de dessus de l'électrode d'excitation, la goutte est de préférence disposée de manière à recouvrir au moins partiellement l'électrode d'excitation 20. La ligne triple est, de préférence, située sensiblement en regard de la bordure extérieure. L'électrode d'excitation 20 est adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour du premier axe de symétrie. Pour cela, elle peut être connectée à un générateur de tension 50 qui applique un potentiel à l'électrode 20 sensiblement différent de celui de la goutte F1. Une différence de potentiel dite d'électromouillage est alors générée entre l'électrode d'excitation 20 et la goutte F1. La tension d'électromouillage générée par le générateur de tension 50 peut comprendre une première composante V continue ou à haute fréquence, et une modulation de tension dite d'excitation v. La modulation d'excitation est notée v(w) et présente une fréquence w sensiblement inférieure à la fréquence de réponse hydrodynamique de la goutte. La fréquence w peut être comprise entre 10Hz et 500Hz, et de préférence entre 10Hz et 150Hz. L'amplitude AV peut 22 être comprise entre 1V et 100V, et de préférence entre 1V et 50V. La modulation basse fréquence v(W) permet de moduler de manière harmonique l'angle de contact. Du fait que la fréquence est inférieure à la fréquence de réponse hydrodynamique, la variation de l'angle de contact suit sensiblement l'amplitude et la fréquence de la modulation v. On peut parler alors d'électromouillage oscillatoire.

La première composante est notée V et peut être continue, comprise entre 1V et quelques centaines de volts, par exemple 200V. De préférence, elle est de l'ordre de quelques dizaines de volt. Elle peut également être une tension alternative haute fréquence V(SZ) de fréquence SZ sensiblement supérieure à la fréquence de réponse hydrodynamique, par exemple comprise entre 500Hz et 10kHz, de préférence de l'ordre de 1kHz. Cette composante est alors vue par la goutte comme une tension continue de valeur égale à la valeur efficace de la tension V, puisque l'angle de contact dépend de la tension en V2, selon la relation donnée précédemment. La valeur efficace peut varier entre 1V et quelques centaines de volt, par exemple 200V. De préférence, elle est de l'ordre de quelques dizaines de volt. Cette composante V permet d'imposer un angle de contact déterminé à l'interface de la goutte et donc de régler la forme générale de celle-ci. Selon un autre mode de réalisation, le générateur de tension 50 peut également générer une tension d'électromouillage basse fréquence, qui ne comprend pas 23 de composante V continue ou haute fréquence. Dans ce cas, l'amplitude et la fréquence correspondent aux valeurs décrites pour la modulation d'excitation v. L'électrode d'excitation 20 peut être réalisée par dépôt d'une fine couche d'un métal choisi parmi Au, Al, ITO, Pt, Cu, Cr... ou d'un alliage Al-Si... grâce aux microtechnologies classiques de la microélectronique, par exemple par photolithographie. L'électrode 20 est ensuite gravée suivant un motif approprié, par exemple par gravure humide. L'épaisseur de l'électrode 20 peut être comprise entre 10nm et 1pm, de préférence 300nm. Sa taille dépend de la taille de la goutte F1 à exciter. Elle sera préférentiellement commensurable avec la taille de la goutte. Une couche diélectrique 12 peut recouvrir l'électrode d'excitation 20. Elle peut être réalisée en Si3N4, SiO2, en SiN, en baryum strontium titanate (EST) ou d'autres matériaux à permittivité élevée tels que du HFO2r Al2O3, Ta2O5 [29], Ta2O5-TiO2, SrTiO3 ou Ba1_XSrXTiO3. L'épaisseur de cette couche 12 peut être comprise entre 100nm et 3pm, de manière générale comprise entre 100nm et 1pm, de préférence de 300nm. La couche diélectrique 12 en SiO2 peut être obtenue par oxydation thermique.

Un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) est préféré au procédé de dépôt en phase vapeur à basse pression (LPCVD) pour des raisons thermiques. En effet, la température du substrat n'est portée qu'entre 150°C et 350°C (selon les propriétés recherchées) contre 750°C environ pour le dépôt LPCVD. 24 Enfin, une couche hydrophobe 13 peut être déposée sur la couche diélectrique 12. Pour cela, un dépôt de Téflon par trempage, par centrifugation (spin coating), ou par spray, ou de SiOC déposé par plasma peut être réalisé. Un dépôt de silane hydrophobe en phase vapeur ou liquide peut être réalisé. Son épaisseur est comprise entre 100nm et 5pm, de préférence de lpm. Cette couche 13 permet notamment de diminuer voire d'éviter les effets d'hystérésis de l'angle de mouillage. Le liquide de la goutte F1 est électriquement conducteur et peut être une solution aqueuse chargée en ions, par exemple en Cl , K+, Na+, Cal+, Mg2+, Znz+, Mn2+, autres. Le liquide peut également être du mercure, du Gallium, du Gallium eutectique, ou des liquides ioniques du type bmim PF6, bmim BF4 ou tmba NTf2. Le rayon de la goutte F1 peut par exemple être compris entre 10 microns et le centimètre, et être de préférence de Imm.

Le fluide environnant F2 est, de préférence, isolant et peut être de l'air, une huile minérale ou silicone, un solvant perfluoré, comme du FC-40 ou du FC-70, ou encore un alcane. Le fluide environnant F2 est non miscible avec le liquide conducteur F1 de la goutte. Le fonctionnement du dispositif selon le premier mode de réalisation de l'invention est le suivant. Le générateur de tension 50 applique un potentiel à l'électrode d'excitation 20 sensiblement différent de celui de la goutte F1. Une tension d'électromouillage U est alors générée entre l'électrode d'excitation 20 et 25 la goutte F1. Du fait de la symétrie commune de l'électrode d'excitation 20 et de la goutte F1, le champ électrique associé est sensiblement normal à la ligne triple, dans le plan de celle-ci.

Le champ électrique ne présente donc sensiblement pas de composante tangentielle, ce qui permet d'éviter tout phénomène électrohydrodynamique ou électrocinétique de formation de vortex, comme, par exemple, dans le dispositif selon l'art antérieur par exemple. La modulation de tension v induit une variation de l'angle de contact sensiblement isotrope le long de la ligne triple. La goutte F1 ne subit sensiblement pas de déplacement, en particulier dans le plan de mouillage.

Le champ électrique est ainsi oscillant et radial autour de l'axe de symétrie de la goutte F1 et de l'électrode d'excitation 20. Le champ électrique provoque alors une variation de l'angle de contact et éventuellement un déplacement oscillant et radial de la ligne triple autour d'une position d'équilibre. La variation harmonique de l'angle de contact génère alors un réseau d'ondes axisymétriques à l'interface I de la goutte F1, à partir de la ligne triple. Les ondes se propagent uniformément à l'interface, réalisant ainsi un micro-mélange du liquide de la goutte F1 sensiblement homogène. Par le caractère axisymétrique des ondes, un mode résonant est obtenu à l'apex 41 de la goutte, c'est-à-dire dans la zone sensiblement la plus éloignée de la 26 goutte. L'amplitude est alors maximale à l'apex 41 et présente une fréquence définie. De préférence, les ondes présentent une amplitude comprise de préférence entre 10nm et 10pm, de préférence de 1pm. La longueur d'onde peut être telle que le rapport amplitude sur longueur d'onde est compris entre 10-5 et 1, de préférence entre 10-4 et 10-2, de préférence de l'ordre de 10-3.

Dans le cas où la goutte contient des constituants cibles à l'état solubilisé, l'interface I de la goutte F1 peut être fonctionnalisée afin de capturer sélectivement ces constituants. Le dispositif selon l'invention permet alors de concentrer les constituants à partir du volume de la goutte au niveau de son interface. La concentration est significative à l'apex 41 de la goutte F1, et ainsi écarte les perturbations dues aux conditions aux limites (ligne triple, paroi de la couche hydrophobe). La composante progressive du réseau d'ondes peut permettre une concentration sélective des constituants adsorbés à l'interface I de la goutte F1. Elle peut transporter les constituants vers l'apex 41 de la goutte, de manière différentielle selon l'étendue de leur section moléculaire. Ici encore, la concentration à l'apex 41 est rendue significative. Les constituants non transportés par les ondes sont susceptibles de rester au voisinage de la ligne triple.

On dispose dans ce cas d'un dispositif de séparation, ou de purification, de ces constituants. Une extraction 27 spécifique par éjection de gouttelettes sous champ électrique ou par formation puis brisure d'un pont capillaire peut permettre de former deux ou plusieurs gouttes contenant les constituants séparés.

Une variante du premier mode de réalisation de l'invention concerne la forme de l'électrode d'excitation 20. Ainsi, comme le montre la figure 3B, l'électrode d'excitation 20 peut présenter une forme annulaire dont l'axe de symétrie coïncide sensiblement avec celui de la goutte F1. Dans ce cas, la ligne triple peut être située, en l'absence de sollicitation électrostatique, sensiblement en regard de la bordure intérieure, ou de la bordure extérieure, ou entre les deux bordures. Le fait que la ligne triple soit, hors sollicitation électrostatique, sensiblement en regard de la bordure intérieure permet de contrôler facilement l'étalement de la goutte sous l'effet de la tension d'électromouillage. Par ailleurs, le fait que la ligne triple soit, hors sollicitation électrostatique, sensiblement en regard de la bordure extérieure permet d'utiliser celle-ci comme une ligne de piégeage de la ligne triple. Un second mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 4, dans lequel le dispositif comprend une première électrode d'excitation 20, et une seconde électrode d'excitation 30 formant contre- électrode. 28 De préférence, la contre-électrode 30 est planaire, intégrée audit substrat 11, et comprise dans le plan médian de la première électrode d'excitation 20. La figure 4 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un dispositif comprenant une électrode d'excitation 20 annulaire entourant la contre-électrode 30 en forme de disque. Les deux électrodes 20, 30 présentent un axe de symétrie coïncidant sensiblement avec celui de la goutte.

La figure 5A est une vue de dessus desdites électrodes. L'espacement entre les électrodes peut être compris entre 1pm et 10pm. Pour générer un champ électrique oscillant et radial autour du premier axe de symétrie, un générateur de tension 50 peut appliquer une différence de potentiel aux électrodes 20, 30. Cette différence de potentiel permet de générer une différence de potentiel, dite d'électromouillage, entre les électrodes 20, 30 et la goutte F1.

La tension d'électromouillage présente les mêmes caractéristiques que dans le premier mode de réalisation et ne sont donc pas décrites à nouveau ici. Les ondes formées à l'interface sont également identiques à ce qui a été décrit précédemment.

La ligne triple de la goutte est, hors sollicitation électrostatique, de préférence située sensiblement en regard de la bordure extérieure de la contre-électrode 30, de la bordure intérieure ou extérieure de l'électrode d'excitation 20.

Si l'électrode annulaire 20 présente une bordure extérieure 22 suffisamment éloignée de la goutte, la 29 géométrie de cette bordure 22 peut être quelconque, par exemple polygonale, dès lors que le champ électrique au niveau de la ligne triple demeure radial. Les figures 5B et 5C sont des vues de dessus de la première électrode d'excitation 20 et de la seconde électrode d'excitation 30 formant contre-électrode. La figure 5B illustre des électrodes demi-annulaires 20, 30 et la figure 5C des électrodes 20, 30 sous forme de demi-disque. Chaque électrode est disposée en regard l'une de l'autre, de sorte que l'activation électrique des électrodes 20, 30 par le générateur de tension 50 permet de générer un champ électrique radial autour du premier axe de symétrie. L'espacement minimal entre les électrodes peut être compris entre 1pm et 10pm. Le fonctionnement et la réalisation du dispositif selon le second mode de réalisation sont identiques à ce qui a été décrit précédemment. L'avantage de l'utilisation d'une seconde électrode d'excitation 30 formant contre-électrode est de fixer le potentiel de la goutte à une valeur sensiblement équidistante des potentiels des deux électrodes 20, 30. La tension d'électromouillage est ainsi mieux définie que dans le premier mode de réalisation dans lequel la goutte F1 présente un potentiel flottant. Il est à noter que la couche diélectrique 12 n'est pas indispensable au phénomène d'électromouillage. En effet, en l'absence de couche diélectrique 12, la goutte F1 est alors en contact électrique avec l'électrode d'excitation 20. Lors de l'activation de l'électrode 20, une double couche électrique se forme 30 dans la goutte à la surface de l'électrode 20 et forme une couche diélectrique dont l'épaisseur est de l'ordre de grandeur de la distance de Debye (quelques dizaines de nanomètres). La tension d'électromouillage appliquée reste avantageusement faible afin d'éviter des phénomènes électrochimiques tels que l'électrolyse de l'eau. Par ailleurs, il est avantageux d'augmenter l'hydrophobicité de la couche solide sur laquelle repose la goutte, pour favoriser le glissement de la ligne triple et limiter la dissipation visqueuse. Pour cela, des thiols peuvent être greffés sur la couche solide en question. Il peut être avantageux, au contraire, de piéger la ligne triple pour limiter son déplacement et la dissipation visqueuse associée. Pour cela, la ligne triple peut être piégée par une rugosité en forme d'anneau gravée dans le substrat solide. Dans ce cas, les ondes ne sont pas formées par le déplacement oscillant et radial de la ligne triple mais par la variation harmonique de l'angle de contact. Il est également à noter que le dispositif selon l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter de contre-électrode disposée en contact électrique direct avec la goutte, par exemple sous forme de fil suspendu. Ainsi, le champ électrique reste normal à la ligne triple. Les ondes formées sont donc axisymétriques, écartant ainsi toute perturbation de l'axe de symétrie due à la présence de la contre-électrode. Cela permet également une plus grande facilité de réalisation et d'intégration dans les laboratoires sur puce existants. 31 De plus, une contre-électrode en contact direct avec la goutte, par exemple sous forme de fil suspendu, peut perturber la concentration des constituants à l'interface.

La figure 6 est une représentation schématique en coupe longitudinale du dispositif selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Le dispositif ne comprend plus un seul substrat 11 plan, mais également un second substrat 11-1, disposé en face du premier 11 et sensiblement parallèle à celui-ci. Le second substrat 11-1 comporte également au moins une électrode d'excitation 20-1, 30-1, en vis-à-vis de celle 20, 30 du premier substrat. Une couche hydrophobe et une couche diélectrique 12-1 peuvent également être prévues. Une goutte F1 peut être prise en sandwich entre les deux substrats de manière à former un pont capillaire. Les électrodes d'excitation inférieures 20, 30 et supérieures 20-1, 30-1 sont connectées au générateur de tension 50, ou comme représenté sur la figure 6, à un second générateur de tension 50-1 synchrone avec le premier 50. Ainsi, l'activation des électrodes permet de générer des ondes selon les mêmes caractéristiques que précédemment. Le mode résonant est ici formé au niveau de la section centrale 42 du pont capillaire. Les constituants peuvent ainsi être transportés vers la section centrale 42 du pont liquide, de manière différentielle selon l'étendue de leur section moléculaire. Le dispositif permet de réaliser alors la 32 concentration des constituants de l'interface à la ligne d'interface de la section centrale 42 du pont capillaire. Les constituants non transportés par les ondes sont susceptibles de rester au voisinage des lignes triples inférieure et supérieure. On dispose dans ce cas d'un dispositif de séparation, ou de purification, de ces constituants. Une extraction spécifique par brisure du pont capillaire peut être pratiquée par éloignement vertical relatif des premier et second substrats l'un de l'autre, ou par amplification de la tension d' électromouillage. Le dispositif selon le troisième mode de réalisation présente un fonctionnement et une réalisation sensiblement similaires à ce qui a été décrit dans les premier et second modes de réalisation. L'invention concerne également un dispositif d'analyse comportant un dispositif de formation d'ondes à l'interface d'une goutte selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits précédemment. L'analyse de la goutte peut être effectuée dans un but d'analyse rhéologique, pour mesurer la tension de surface, la viscosité dynamique, la viscosité et l'élasticité interfaciales etc. Elle peut également permettre de détecter en temps réel le vieillissement interfacial et ainsi la concentration en constituants cibles. Le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide, selon un premier mode de réalisation, comprend un dispositif de formation d'ondes tel que décrit précédemment, des moyens de caractérisation géométrique 33 des ondes formées, et des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation géométrique, pour analyser, à partir de la caractérisation géométrique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte F1. Selon une première variante, les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées, par exemple, par absorption lumineuse et/ou par interférométrie.

La mesure de l'amplitude est de préférence locale, dans la zone interfaciale du mode résonant, c'est-à-dire au niveau de l'apex 41 pour une goutte semisphérique, et au niveau de la section centrale 42 d'un pont capillaire.

La figure 7 donne un exemple de dispositif d'analyse avec mesure de l'amplitude, ici à l'apex d'une goutte semi-sphérique. La mesure de l'amplitude est de préférence localisée dans la zone du mode résonant 41. En effet, le caractère résonant des ondes est particulièrement sensible à la présence de constituants concentrés à l'interface. Ainsi, à mesure que l'interface s'enrichit en constituants, on peut observer un glissement de la fréquence de résonance. Ce comportement peut être mesuré en temps réel pendant le processus de vieillissement interfacial, ou bien par comparaison entre un état chimique stationnaire initial de l'interface et un état stationnaire final, après concentration à l'interface.

Le comportement linéaire des ondes, c'est-à-dire présentant un rapport amplitude sur longueur d'onde 34 très faible, compris entre 10-5 et 1, de préférence entre 10-4 et 10-2, ou de l'ordre de 10-3, permet de relier la fréquence de résonance aux propriétés rhéologiques de l'interface par une relation de dispersion. De plus, la tension de surface dynamique est dépendante de la valeur de la concentration de constituants à l'interface. Aussi, la mesure de l'amplitude à l'apex 41 de la goutte F1 permet d'obtenir, à l'aide des moyens d'analyse, la fréquence de résonance et ainsi les propriétés rhéologiques et ainsi physicochimiques du liquide de la goutte. La technique d'absorption lumineuse (non représentée) peut également être utilisée, qui permet de mesurer la hauteur de la goutte. Dans ce mode de détection, une source de lumière envoie un faisceau qui traverse la goutte. Ce faisceau se réfléchit sur l'électrode 20, traverse la goutte en sens inverse, puis est collecté par une optique et envoyé vers un détecteur. Le faisceau peut également être transmis à travers la goutte et le substrat, ce dernier étant alors transparent à la longueur d'onde incidente, puis détecté. Le signal mesuré par le détecteur est donné par la loi de Beer Lambert. Il est donc inversement proportionnel à la hauteur de liquide. La source de lumière peut-être un laser ou une diode électroluminescente (LED). Le détecteur peut-être une photodiode, une caméra ou tout autre appareil sensible à la lumière. Cette mesure d'absorption dépendant fortement de la présence d'espèces biologiques. Il est avantageux de normaliser les mesures de hauteur lorsque 35 la goutte oscille par la hauteur de la goutte au repos. Ceci permet d'effectuer une mesure différentielle plus sensible que les mesures absolues. Il est avantageux d'utiliser la technique d'interférométrie qui permet de mesurer en temps réel l'amplitude des ondes de l'interface à l'apex 41 de la goutte. Elle présente l'avantage d'être facile à intégrer sur un laboratoire sur puce. La précision de mesure est plus fine que celle des autres techniques optiques et la mesure est plus rapide à exploiter puisqu'il s'agit d'un seul signal analogique à traiter. Le principe de la technique interférométrique est présenté sur la figure 7 dans l'exemple d'une goutte hémisphérique.

Une partie d'un faisceau laser, délivré par la source 61, est conduit par un réseau 62, pouvant être un réseau fibré, vers l'apex 41 de la goutte tandis que l'autre partie est dirigée vers un photodétecteur 63. Après réflexion partielle à l'interface I de la goutte F1, le faisceau est reconduit vers le photodétecteur 63 sur lequel il interfère avec le premier faisceau. Un réseau de franges d'interférences apparaît et lorsque l'interface de la goutte est mise en mouvement, les franges se déplacent. Le photodétecteur 63 traduit ce déplacement de franges par une variation d'intensité dont l'évolution dans le temps engendre un signal modulé en fréquence. L'évolution temporelle de la fréquence instantanée permet de traduire le déplacement de l'apex 41 de la goutte (traitement du signal de type temps-fréquence ou par identification d'un modèle interférométrique). Le seuil minimum de déplacement de 36 l'apex 41 de la goutte peut être d'une demi-longueur d'onde, soit environ 300 nm pour un laser HeNe émettant dans le rouge. Par sa facilité de mise en oeuvre, cette technique optique permet une intégration aisée dans les laboratoires sur puce. La source de lumière 61 est de préférence cohérente. Dans un mode de réalisation de l'invention, la source de lumière 61 est une diode laser, pour des raisons de compacité, de coût et d'intégration. Les mesures de hauteur de liquide sont plus précises aux courtes longueurs d'ondes, mais les lasers sont moins compacts et plus onéreux. Par conséquent, on privilégie les longueurs d'onde rouges et proches infrarouge. Dans le cas de mesures couplées avec de la fluorescence, le laser est sélectionné en fonction des longueurs d'onde d'absorption des fluorophores présents dans ou à l'interface de la goutte. La source de lumière 61 peut éventuellement être thermorégulée afin de délivrer une puissance la plus constante possible. Sa puissance peut également être contrôlée en continu et adaptée de manière à corriger les effets de certains paramètres susceptibles de perturber la mesure (température, hauteur de la goutte au repos, indice optique du fluide etc.) Le séparateur de faisceau 62 peut être composé de plusieurs éléments : - un coupleur 1 vers 2 (Y, splitter) qui divise le faisceau laser en deux voies d'amplitude respective réglable ; un coupleur 2 vers 1 (Y, concentrateur), qui envoie le faisceau laser vers la goutte et collecte la 37 réflexion sur l'interface pour l'envoyer vers la dernière partie du dispositif ; un dispositif de focalisation délivrant la lumière du laser sur la goutte et collectant la réflexion sur la surface supérieure. Ce dispositif peut être constitué d'une tête de fibre clivée, d'une fibre lentillée, d'une microlentille, ou d'une selfoc (dans le cas où plusieurs gouttes seraient analysées simultanément) ; et un coupleur 2 vers 1 (Y, concentrateur), qui concentre dans une même fibre le faisceau provenant directement du laser et celui issu de la réflexion sur la goutte. Les coupleurs en Y mentionnés précédemment peuvent être des coupleurs à fibre optique ou bien des microprismes. Le faisceau résultant est ensuite envoyé vers le photodétecteur 63. Le photodétecteur 63 permet la mesure des interférences et peut être tout type de dispositif sensible à la lumière (photodiode, caméra, photodiode à avalanche (APD) etc.). Un filtre transmettant uniquement la longueur d'onde du laser peut éventuellement être placé devant le photodétecteur 63 afin de limiter les perturbations lumineuses extérieures au dispositif (lumière ambiante). Le couplage entre la fibre, si fibre il y a, et le photodétecteur 63 peut-être réalisé par collage, taper, ou bien par un dispositif optique (en particulier si l'on souhaite placer un filtre devant le photodétecteur). 38 La technique de mesure de l'amplitude par interférométrie présente un certain nombre d'avantages . - Une grande facilité d'intégration. Une goutte déplacée par électromouillage peut être facilement centrée sur l'un des dispositifs objet de l'invention, et disposée de sorte que son axe de symétrie vertical soit aligné avec une fibre optique à des fins de détection in situ ; La grande sensibilité d'un capteur interférométrique ; - La robustesse d'une technique optique ; - La mesure absolue sans étalonnage ; et - La possibilité d'utiliser une détection synchrone 15 pour augmenter le rapport signal sur bruit. Les moyens de mesure de l'amplitude 60 sont connectés aux moyens d'analyse 70, par exemple disposés sur un circuit imprimé (non représenté), qui permettent d'analyser l'amplitude mesurée pour en extraire la 20 fréquence de résonance, et ainsi en déduire les propriétés microrhéologiques ou physicochimiques de la goutte. Bien entendu, les moyens de mesure et d'analyse peuvent être utilisés sur une goutte qui forme un pont 25 capillaire. Dans ce cas, la mesure est faite de préférence en un point de la section centrale du pont capillaire, zone de l'interface du mode résonant. Selon une seconde variante, les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure 30 de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface, par exemple, par réfractométrie. 39 La méthode connue de réfractométrie (non représentée) permet une mesure de pente suivant une ligne de l'interface, en régime statique ou dynamique. Il est préférable d'appliquer cette méthode suivant une ligne de l'interface de grande longueur, par exemple une ligne comprise dans un plan passant par le centre et l'apex de la goutte, ou, dans le cas d'un pont capillaire, dans un plan passant par la section centrale dudit pont capillaire.

Tout comme la mesure de l'amplitude, la mesure de la pente permet d'obtenir, à l'aide des moyens d'analyse, les propriétés rhéologiques et/ou physicochimiques du liquide de la goutte. Bien entendu, les moyens de caractérisation géométrique peuvent comprendre, à la fois des moyens de mesure de l'amplitude des ondes formées et des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface, tels que décrits précédemment. Selon un second mode de réalisation, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide comprend un dispositif de formation d'ondes selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits précédemment, des moyens de caractérisation cinématique des ondes formées, et des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation cinématique, pour analyser, à partir de la caractérisation cinématique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte F1. Les moyens de caractérisation cinématique peuvent être des moyens de mesure de la vitesse normale des ondes formées, qui peuvent être similaires à ceux 40 permettant de mesurer l'amplitude par interférométrie, tels que décrits précédemment. En effet, la publication de Davoust et al. intitulée Detection of waves at an interface by way of an optical fibre Progr. Colloid Polym. Sci. (2000), 115, 24ç-254, montre que ces moyens de mesure permettent d'obtenir à la fois l'amplitude au point voulu que la vitesse normale. L'analyse des propriétés chimiques de la goutte peut ainsi être réalisée sans marquage de cibles biologiques ou chimiques. Elle peut en outre comprendre des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées par un composé fluorescent ou radioactif.

Ces moyens de mesure de la concentration peuvent comprendre un détecteur permettant la mesure d'un rayonnement, par exemple un rayonnement photonique. Dans ce dernier cas, le photodétecteur peut être un imageur, une photodiode à avalanche, un microscope confocal. Alternativement, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide peut ne pas comprendre des moyens de caractérisation des ondes formées, mais des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées. La formation des ondes permet alors de mélanger le liquide de la goutte, voire également, de réaliser une concentration éventuellement sélective de cibles biologiques ou chimiques dans une zone déterminée de l'interface, comme l'apex d'une goutte, ou la section centrale d'un pont capillaire. 41 Enfin, il est possible d'utiliser le dispositif de formation d'ondes tel que décrit précédemment, pour former des ondes à la surface d'une goutte de sang. Par ailleurs, le dispositif d'analyse d'une goutte de liquide tel que décrit précédemment, ledit liquide étant du sang, peut être avantageusement utilisé pour estimer le temps de coagulation. La mesure d'un temps de coagulation est pertinente pour les troubles plaquettaires ou les hémophiles mais aussi et surtout pour tous les patients greffés qui font l'objet d'un traitement anti-coagulant. Le dosage précis de ce traitement requiert des mesures régulières qui sont habituellement réalisées à l'aide d'installations macroscopiques dans les laboratoires d'analyse. L'utilisation du dispositif d'analyse selon l'invention permettrait alors de réaliser un gain de temps et d'argent important. La coagulation (hémostase secondaire) est déclenchée par une réaction de polymérisation à l'issue d'une cascade complexe de facteurs de coagulation. Cette polymérisation consiste en une transformation du fibrinogène, protéine contenue dans le plasma du sang, en fibrine polymérisée, ce qui crée un caillot.

L'échelle de temps classique de ce processus est de l'ordre de quelques minutes. La réaction de polymérisation engendre une augmentation de plusieurs ordres de grandeur de la viscosité dynamique au sein de la goutte.

42 Les oscillations à sa surface sont dépendantes des propriétés interfaciales tout autant que des propriétés volumiques de la goutte. La mesure en continue par une technique par exemple optique de l'amplitude de ces oscillations peut ainsi renseigner sur un taux d'amortissement temporel particulièrement proche du temps de coagulation. Ainsi, le dispositif d'analyse d'une goutte de sang permet d'obtenir le temps de coagulation de manière particulièrement rapide et peu coûteuse. L'invention concerne également un procédé de formation d'ondes à l'interface d'une goutte de liquide, comprenant les étapes suivantes : - disposer une goutte de liquide F1 sur au moins une électrode d'excitation 20 présentant un premier axe de symétrie, de sorte que l'axe de symétrie de ladite goutte F1 coïncide sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, et - générer un champ électrique oscillant et radial autour dudit premier axe de symétrie, de sorte que des ondes axisymétriques sont formées par électromouillage à l'interface I de ladite goutte F1. Lesdites ondes présentent, de préférence, un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 1, et avantageusement égal à 10-3. L'invention concerne également un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques décrites précédemment, une étape de caractérisation géométrique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés 43 physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation géométrique desdites ondes formées. Comme pour le dispositif d'analyse, l'étape de caractérisation géométrique peut être une mesure de l'amplitude des ondes formées, ou une mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface. De préférence, la mesure de l'amplitude desdites ondes est réalisée dans une zone déterminée de l'interface sensiblement éloignée de la ligne triple de la goutte, par exemple à l'apex d'une goutte hémisphérique, ou dans la section centrale d'un pont capillaire. La mesure de la pente peut être réalisée suivant une ligne contenue dans un plan passant par l'apex et le centre d'une goutte hémisphérique, ou dans un plan contenant la section centrale d'un pont capillaire. L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une des caractéristiques précédentes, une étape de caractérisation cinématique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, a partir de la caractérisation cinématique desdites ondes formées. L'étape de caractérisation cinématique peut être une mesure de la vitesse normale des ondes formées, telle que décrite précédemment. Le procédé d'analyse d'une goutte de liquide peut comprendre, en outre, une étape de mesure, à 44 l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées. L'invention porte également sur un procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, et une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de formation d'ondes à l'interface (I) d'une goutte de liquide (F1), caractérisé en ce qu'il comprend : au moins une électrode d'excitation (20 ; 30) adaptée à générer un champ électrique oscillant et radial autour d'un premier axe de symétrie, sous l'effet d'une commande électrique, et une goutte de liquide (F1) disposée sur ladite électrode d'excitation (20 ; 30) et présentant un axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, de sorte que ledit champ électrique génère des ondes axisymétriques par électromouillage à l'interface (I) de ladite goutte (F1).
2. Dispositif de formation d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 1.
3. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une unique électrode d'excitation (20) présentant sensiblement une forme de disque.
4. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une unique électrode d'excitation (20) sensiblement annulaire. 46
5. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode d'excitation (20) annulaire et une seconde électrode d'excitation (30) formant contre-électrode présentant sensiblement une forme de disque entouré par ladite première électrode d'excitation (20).
6. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode d'excitation (20) et une seconde électrode d'excitation (30) formant contre-électrode, présentant chacune sensiblement une forme demi-annulaire arrangées en regard l'une de l'autre.
7. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode d'excitation (20) et une seconde électrode d'excitation (30) formant contre-électrode, présentant chacune sensiblement une forme de demi-disque arrangées en regard l'une de l'autre.
8. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, ou 4 à 6, caractérisé en ce que la ou les électrodes d'excitation (20 ; 30) comporte un bord intérieur (21 ; 31) définissant une bordure intérieure sensiblement circulaire, la ligne triple de ladite goutte étant sensiblement en regard de ladite bordure intérieure. 47
9. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la ou les électrodes d'excitation (20 ; 30) comporte un bord extérieur (22 ; 32) définissant une bordure extérieure sensiblement circulaire, la ligne triple de ladite goutte étant sensiblement en regard de ladite bordure extérieure.
10. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de tension (50) pour appliquer un potentiel électrique à ladite électrode d'excitation (20) différent de celui de ladite goutte (F1) .
11. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de tension (50) pour appliquer une différence de potentiel entre la première électrode d'excitation (20) et la contre-électrode (30).
12. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit champ électrique induit une différence de potentiel d'électromouillage entre l'électrode d'excitation (20) et ladite goutte (F1) présentant une fréquence comprise entre 10Hz et 150Hz.30
13. Dispositif de formation d'ondes selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite différence de potentiel d'électromouillage présente une amplitude comprise entre 1V et 100V.
14. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la ou les électrodes d'excitation (20 ; 30) sont recouvertes d'une couche d'un matériau diélectrique (12).
15. Dispositif de formation d'ondes selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique (12) est recouverte d'une couche d'un matériau hydrophobe (13).
16. Dispositif de formation d'ondes selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique (12) est hydrophobe.
17. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de piégeage de la ligne triple de ladite goutte (F1). 25
18. Dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, au moins une électrode d'excitation secondaire (20-1), située en face, 30 parallèlement à ladite électrode d'excitation (20), adaptée à générer un champ électrique oscillant et20 49 radial autour d'un troisième axe de symétrie coïncidant sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, sous l'effet de ladite commande électrique.
19. Dispositif de formation d'ondes selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite goutte (F1) est un pont capillaire formé entre ladite électrode d'excitation (20) et ladite électrode d'excitation secondaire (20-1).
20. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide, caractérisé en ce qu'il comprend : - un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, - des moyens de caractérisation géométrique des ondes formées, et - des moyens d'analyse (70), connectés auxdits moyens de caractérisation géométrique, pour analyser, à partir de la caractérisation géométrique des ondes formées, les propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte (F1).
21. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 20, caractérisé en ce que les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de l'amplitude (60) des ondes formées.
22. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 21, caractérisé en ce que les moyens de mesure de l'amplitude (60) des ondes formées 50 sont des moyens de mesure par absorption lumineuse et/ou par interférométrie.
23. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 20, caractérisé en ce que les moyens de caractérisation géométrique sont des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface.
24. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 23, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la pente des ondes formées sont des moyens de mesure par réfractométrie.
25. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon l'une quelconque des revendications 20 à 24, caractérisé en ce que les moyens de caractérisation géométrique sont les moyens de mesure de l'amplitude (60) des ondes formées et des moyens de mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface.
26. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide, caractérisé en ce qu'il comprend : - un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, - des moyens de caractérisation cinématique des ondes formées, et - des moyens d'analyse, connectés auxdits moyens de caractérisation cinématique, pour analyser, à partir de la caractérisation cinématique des ondes formées, les 51 propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte (F1) .
27. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 26, caractérisé en ce que les moyens de caractérisation cinématique sont des moyens de mesure de la vitesse normale des ondes formées.
28. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon l'une quelconque des revendications 20 à 27, caractérisé en ce que l'analyse des propriétés chimiques de la goutte (F1) est réalisée sans marquage de cibles biologiques ou chimiques contenues dans la goutte.
29. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon l'une quelconque des revendications 20 à 27, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte (F1), de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.
30. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide, caractérisé en ce qu'il comprend : un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, - des moyens de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées.30 52
31. Dispositif d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 29 ou 30, caractérisé en ce que lesdites cibles sont marquées d'un composé fluorescent ou radioactif.
32. Procédé de formation d'ondes à l'interface d'une goutte de liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - disposer une goutte de liquide (F1) sur au moins une électrode d'excitation (20) présentant un premier axe de symétrie, de sorte que l'axe de symétrie de ladite goutte (F1) coïncide sensiblement avec ledit premier axe de symétrie, et - générer un champ électrique oscillant et radial autour dudit premier axe de symétrie, de sorte que des ondes axisymétriques sont formées par électromouillage à l'interface (I) de ladite goutte (F1). 35. Procédé de formation d'ondes selon la revendication 32, caractérisé en ce que lesdites ondes présentent un rapport amplitude sur longueur d'onde compris entre 10-5 et 1. 36. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon la revendication 32 ou 33, une étape de caractérisation géométrique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation géométrique desdites ondes formées. 53 35. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 34, caractérisé en ce que l'étape de caractérisation géométrique est une mesure de l'amplitude des ondes formées. 36. Procédé d'analyse selon la revendication 35, caractérisé en ce que la mesure de l'amplitude desdites ondes est réalisée dans une zone déterminée de l'interface sensiblement éloignée de la ligne triple de la goutte. 37. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 34, caractérisé en ce que l'étape de caractérisation géométrique est une mesure de la pente des ondes formées suivant une ligne de l'interface. 38. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon la revendication 32 ou 33, une étape de caractérisation cinématique desdites ondes formées, puis une étape d'analyse des propriétés physiques et/ou chimiques de ladite goutte, à partir de la caractérisation cinématique desdites ondes formées. 39. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide selon la revendication 38, caractérisé en ce que l'étape de caractérisation cinématique est une mesure de la vitesse normale des ondes formées. 40. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide selon l'une quelconque des revendications 34 à 39, 54 caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées. 41. Procédé d'analyse d'une goutte de liquide, comportant la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'ondes selon la revendication 32 ou 33, et une étape de mesure, à l'interface de ladite goutte, de la concentration de cibles biologiques ou chimiques marquées. 42. Utilisation d'un dispositif de formation d'ondes selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, ou d'un dispositif d'analyse selon l'une quelconque des revendications 20 à 31, caractérisée en ce que ladite goutte de liquide est une goutte de sang.