WO2006037910A1 - Dispositif pour realiser la separation dielectrophoretique de particules contenues dans un fluide - Google Patents

Dispositif pour realiser la separation dielectrophoretique de particules contenues dans un fluide Download PDF

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WO2006037910A1
WO2006037910A1 PCT/FR2005/050745 FR2005050745W WO2006037910A1 WO 2006037910 A1 WO2006037910 A1 WO 2006037910A1 FR 2005050745 W FR2005050745 W FR 2005050745W WO 2006037910 A1 WO2006037910 A1 WO 2006037910A1
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WO
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electrodes
fluid
potential
plane
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PCT/FR2005/050745
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Inventor
Pascale Pham
François PERRAUT
Adrien Plecis
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02—Separators
    • B03C5/022—Non-uniform field separators
    • B03C5/026—Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]

Definitions

  • the invention relates to a device for performing the dielectrophoretic separation of a fluid, and in particular a liquid, in particular to allow the isolation or collection of particles in the broad sense, contained in such a fluid.
  • these particles consist, without limitation, of biological cells, such as bacteria (a few tens of micrometers) and / or biomolecules (DNA, enzymes, proteins, liposomes ...), whose sizes can go down to a few tens of nanometers, even a few nanometers.
  • these objects can consist of molecules, or aggregates of molecules (micelles).
  • these objects may consist of solid particles in a liquid medium (suspension), colloids or even aerosols.
  • o convection the principle is based on the entrainment of particles by the fluid itself, and therefore imposes the implementation moving of it.
  • the control of the movement of the particles imposes the control of the movement of the fluid; o the implementation of the physical properties of the particles, and in particular: the magnetic properties: magnetophoresis.
  • the application of a magnetic field then makes it possible to control their displacement; - the electrical properties:
  • the particles polarized under the effect of the electric field move either towards the areas where the electric field is the most intense, and one speaks then of positive dielectrophoresis, or towards the zones where the electric field is weakest, and one speaks then of negative dielectrophoresis, depending on whether the particles are more or less polarizable with respect to the fluid in which they are immersed.
  • the particles subjected to the electric field gradient do not "see” the change of sign of the applied electric field. In doing so, it is possible to move a polarizable particle by dielectrophoresis with an alternating signal.
  • the implementation of the alternating electric field makes it possible to reduce or even eliminate parasitic electrochemical reactions, which may occur in particular at the level of the electrodes in electrical systems in ionic liquid solution. We try to fight against these phenomena, insofar as they generally induce gaseous releases to the electrodes, and also modify locally the chemical characteristics of the media.
  • electrodes generating an electric field gradient are deposited on a flat surface (glass, passive silicon, etc.) thus leading to planar configuration systems.
  • the fluid and the particles contained therein are in contact with the upper plane of the electrodes.
  • FIG. 2 also shows a cross section of a planar configuration with interdigitated electrodes. Planar configurations, however, have a number of major disadvantages, which will be described below.
  • the dielectrophoretic force F DEP has a small range in the direction perpendicular to the plane of the electrodes, that is to say in the volume of the fluid containing the particles (axis oz in the figures).
  • the force is maximal in contact with the edge of the electrode.
  • d is the distance between the center of the space separating two adjacent electrodes and the center of the electrode
  • V 0 is the peak amplitude of the voltage applied to the electrode
  • z is the distance along the axis oz separating the measurement of the force from the plane of the electrodes.
  • the edge of the electrode creates a wedge effect, at which the electric field is maximum. It is further demonstrated that the range of the dielectrophoretic force according to oz is effective in a zone of radius equal to about 40% of the parameter d, that is to say the distance between the center of the inter-electrode gap and the center of the electrode in question.
  • the collection of particles under the effect of dielectrophoretic forces is effective in volume, if the dimension h of the fluid located above the electrodes is of the order of magnitude of the pattern d of the electrodes. In other words, this efficiency is more limited, or requires working with very limited volumes of the fluid to be treated.
  • the direction of the dielectrophoretic force developed by the planar electrodes depends, on the one hand, on the frequency of the electrical signal applied to the electrodes, but also on parameters independent of the actual power supply, namely the electrical properties of the particle pair. /fluid.
  • the influence of the value of the electrical conductivity of the carrier fluid of the particles on the dielectrophoresis regime is particularly significant.
  • a component designed to collect particles by dielectrophoretic attraction is inefficient if the electrical conditions, and in particular the nature of the particle - fluid pair, make the dielectrophoresis regime always negative.
  • a too conductive fluid can render a planar configuration component incapable of any collection on its electrodes.
  • this kind of problem is commonly encountered in biology, where the liquids are generally aqueous ionic solutions, therefore highly conductive.
  • the dielectrophoretic forces can be inhibited by concurrent forces also from the applied electric field, and in particular electro-convection.
  • electro-convection we mean all the phenomena of setting in motion of the fluid (convection because of the existence of an electric field which is applied to it) and in particular the setting in movement by electro ⁇ osmosis (presence of charges on the electrodes) and Joule warm-up (presence of an electric current in the fluid).
  • the moving fluid causes the particles because of their small size: this convection movement is then superimposed on the dielectrophoretic movement, which can sometimes be completely inhibited if the accumulation zones associated with each phenomenon are not the same.
  • Electro-convection then constitutes a parasitic phenomenon, which is found especially in planar configuration systems, where the electro-convective drive generally goes against dielectrophoretic forces: for example in interdigital electrode systems, the electro-convection induces the creation of accumulation zones situated in the middle of the electrodes and / or in the center of the inter-electrode space, which are not located at the same place as those due to dielectrophoresis, constituted, as already mentioned, by the edge of said electrodes.
  • This phenomenon of electro-convection is a phenomenon that depends on the power supply frequency of the electrodes, and which is all the more important that the particles are small.
  • this phenomenon decreases as the frequency increases, whereas the positive dielectrophoresis requires not to work above the cutoff frequency, corresponding to the frequency marking the change from positive dielectrophoresis regime to negative dielectrophoresis.
  • the object of the present invention therefore aims to separate particles from a fluid by dielectrophoresis, overcoming all of these various disadvantages.
  • the device according to the invention for the dielectrophoretic separation comprises two types of electrodes, each of the two types of electrodes being brought to a different potential, so as to generate an electric field within said fluid, both types of electrodes.
  • electrode being positioned within a chamber or pipe receiving the fluid subjected to dielectrophoretic separation, said enclosure itself being provided with a particle collecting surface.
  • each of the two types of electrodes is immersed in the fluid within the enclosure or pipe and are located in different planes from that of the collection surface; in that the two types of electrodes are supplied with electrical current in opposite phases; and in that the potential of each of the two types of electrodes has a distance-dependent gradient in the direction perpendicular to the collection surface.
  • the invention consists in: positioning the two groups or types of electrodes in the direction oz, the two groups being supplied in phase opposition; to make each of the electrode groups capable of delivering a variable electrical potential along that direction oz; and finally, imposing a potential profile such that the resulting dielectrophoretic force is always oriented along the oz direction.
  • the electrodes lose their role of collection surface and have only a limited electrical role, namely to deliver a non-uniform electric field, in order to produce effective dielectrophoretic forces for collection and directed to the collection surface, and thus to the bottom of the enclosure or the pipe.
  • the two types of electrodes are alternately supplied with electric current.
  • FIGS. 1a, 1b and 1c are diagrammatic representations seen from above of three planar electrode configurations according to the prior art, respectively interdigitated, crenated, and quadrupole.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional representation of the electrodes of Figure la.
  • FIGS. 3a and 3b schematically illustrate the general principle underlying the invention.
  • FIG. 4 is a graph illustrating the relative variation of the dielectrophoretic force as a function of the distance of its measurement with respect to the collection surface, respectively for an interdigitated configuration, for a beveled electrode configuration, and for a stacked electrode configuration .
  • Fig. 5 is a schematic representation illustrating the invention according to the beveled electrode configuration of the invention.
  • Fig. 6 is a schematic representation illustrating the invention according to the inclined electrode configuration of the invention.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c illustrate the possibility of collecting on a defined surface according to the dielectrophoresis regime implemented, respectively in positive mode and in negative mode by means of the beveled electrode configuration of the invention.
  • Figure 8 is a schematic representation illustrating the invention in the isolated electrode configuration of the invention.
  • FIG. 9 is a schematic representation illustrating the invention in the stacked electrode configuration of the invention.
  • FIGS. 10a to 10d illustrate the principle implemented for the operation of the preceding configuration, with spatio-temporal variation of the potential V.
  • FIGS. 11a, 11b and 11c illustrate schematically different electrical circuits capable of allowing the operation of the electrodes in a stacked configuration .
  • Figures 12a and 12b illustrate a configuration of the invention in checkerboard mode, respectively in cross section and viewed from above.
  • One of the objectives of the invention is to obtain, on the one hand, a dielectrophoretic force parallel to the oz axis, ie perpendicular to the collection plane, and on the other hand, distributed in a controlled manner according to ounces
  • the intensity of the di-electrophoretic force may be of substantially constant intensity along the axis oz.
  • FIG. 4 shows the variation of the dielectrophoretic force along the oz axis for three different configurations: the interdigitated electrodes of the prior art; a pyramid type configuration with stacked electrodes; a pyramidal configuration with beveled electrodes.
  • the two configurations of pyramidal type above, according to the invention, will be described below in more detail.
  • the electrodes no longer constitute a collection surface of the particles to be separated, the dimensions of said electrodes therefore no longer constitute a limiting factor for the reading step. their size can be adapted to the volume of fluid to be treated.
  • the device can operate both in positive dielectrophoresis and in negative dielectrophoresis, thus making it possible to significantly increase the fields of application of the present invention. Indeed, it is possible to impose a non-constant profile of the potential V (z), on each of the two groups of electrodes A and B, thus conferring an additional degree of freedom for controlling the phenomenon of dielectrophoresis.
  • the efficiency of the device of the invention is no longer dependent on the type of dielectrophoresis regime. It should be remembered in this respect that the aforementioned planar configurations necessarily require a positive dielectrophoresis regime, to perform the collection on a solid surface. Thus, in a first case, for example in a positive dielectrophoresis regime and for a fixed collection surface, the potential V (z) will be decreasing with oz, and applicable to a determined particle-fluid set and with a signal frequency of electrodes also determined.
  • the signal V (z) is inverted with respect to the preceding configuration, in order to maintain a dielectrophoretic force always directed toward the collection surface, especially if the fluid becomes very conductive, or if wants to work with another frequency.
  • the pyramidal device can adopt three possible configurations that correspond to three types of electrodes comprising the groups: the stacked electrodes; beveled electrodes; and the isolated electrodes. These three configurations make it possible to eliminate the disadvantages associated with interdigitated systems, and more generally with planar configuration systems. Although the performances of these three types of electrodes are not equal, the advantages related to the pyramidal structure that they implement and mentioned above are retained.
  • the choice of the type of electrodes in the separation device depends on the performance objectives to be achieved, as well as the available manufacturing techniques.
  • microelectronics techniques already used to produce the planar systems can be preserved for the realization of these electrodes. They can be assembled in a macrosystem which contains the collection surface and which must provide all the other non-electrical functions (sealing, fluid supply, connection to a reading system, etc.) associated with the component according to its type of use ( capture, separation, sorting, etc.). They can also be made in a micro system.
  • the invention recommends, according to a first embodiment, called “beveled electrodes", according to FIG. 5, that the electrode groups A and B are each composed of a single electrode. , supplied with the peak value potential Vo, whose respective surface in contact with the fluid has an inclination of an angle ⁇ with respect to the horizontal, giving them a bevelled appearance.
  • the electrodes have a rectangular trapezoidal longitudinal section, whose inclined face is in contact with the fluid. The angle ⁇ depends on the volume of fluid to be treated and the nature of the particle-fluid pair: it must satisfy the condition 0 ⁇ ⁇ 90 °.
  • Beveled electrodes is equivalent to the configuration obtained with two facing flat electrodes, which are inclined at an angle ⁇ , always with respect to the horizontal illustrated in relation with FIG.
  • the compensation of the transition from a positive dielectrophoresis regime to a negative dielectrophoresis regime can be done either by inverting the inclination of the electrodes (FIG. 7b) or by moving the collection surface C on the upper part of the component as shown in FIG. 7c.
  • a positive dielectrophoresis regime is implemented, according to the beveled electrode configuration of the type previously described, and increasing variation of the potential V as a function of oz.
  • a negative dielectrophoresis regime is implemented in FIGS. 7b and 7c, respectively by inverting the profile of the electrodes, in order to arrive at a decreasing variation of the potential as a function of oz, and by positioning the collection surface at upper level of the chamber for storing or moving the liquid to be treated and keeping the increasing variation of the potential with the axis oz.
  • the invention proposes a second embodiment called "isolated electrodes", more particularly described in relation to FIG. 8.
  • the electrode groups A and B are each composed of a single electrode, supplied at the peak value Vo, each of said electrodes being coated at its face in contact with the fluid, with a layer made of an insulating material electrical I.
  • the deposition of this layer of insulating material is made such that the surface of said insulator in contact with the fluid has an inclination of an angle ⁇ relative to the horizontal. In other words, this amounts to varying the thickness of the insulation layer along the axis oz.
  • the invention consists in playing on the thickness of the insulating layer to create a variable potential V (z) along the electrode and along the axis oz.
  • V (z) variable potential
  • the actual electrode has a surface parallel to the direction oz and it is the variable thickness insulation with z that creates the non-constant function V (z).
  • the nature of the insulating material is not predefined. It must be chosen so that it ensures a good mechanical adhesion on the electrode, a good homogeneity to the impermeability of the electrical charges and mechanical properties which make it easily machinable.
  • the use of isolated electrodes can bring a very clear improvement in the performance of a dielectrophoresis system.
  • the presence of electric fields in the conductive fluids can induce electric charge transfers at the electrodes, thus capable of generating electrochemical reactions.
  • These electrochemical reactions to the electrodes are all limiting factors to the efficiency of the separation, because they generally cause gaseous releases that quickly degrade the electrical performance of the component.
  • the intensities of the applied electric fields are mainly limited by these electrochemical effects. However, if the intensity of the applied fields is increased, the intensity of the dielectrophoretic forces resulting therefrom are also increased, thus optimizing the effectiveness of the component.
  • the insulating layer prevents electrical charges from passing between the fluid and the electrode in question. It thus limits the appearance of electrochemical reactions to the electrodes and allows to work with higher electric field levels (ie applied potential levels V 0 ) than those usually obtained with uninsulated electrodes.
  • the increase in the intensity of the electric field leads to more intense dielectrophoretic forces.
  • the performance of the devices implementing such insulated electrodes are better, regardless of their geometric configuration.
  • each group of The electrodes A and B consist of a stack of electrodes, fed by an electrical signal individually, and separated by an insulating material.
  • the number N of stacked electrodes in each group and their size according to oz are not fixed. Each group must have at least two electrodes and their increasing number N enhances the desired performance of the component.
  • the values of the potentials Vi applied to each electrode positioned at the coordinate zi determines the global function V (z) such that:
  • V (z) l, N
  • the stacked electrode configuration can be used either by simultaneously applying to each of the two groups A and B of electrodes a different potential (V 1 , V 2 , V 3 ) on each electrode (spatial variation of the potential), or by applying a potential (constant or not) sequentially on each electrode (temporal variation of the potential).
  • V 1 , V 2 , V 3 a different potential
  • V 3 a potential sequentially on each electrode
  • the electrodes are consecutively "lit” one after the other, ie they are brought to the same potential consecutively, inducing a spatio-temporal gradient of the potential and a dielectrophoretic force which, in time, moves towards the capture surface, conferring a piston effect on the particles.
  • each electrode of each group is indicated on the electrical diagrams shown in relation to FIGS. 1a, 1 Ib and 1 Ic.
  • an impedance Z 1 composed of a combination of resistance and inductance R 1 L 1 , is placed across the terminals of each electrode.
  • a phase-shifted configuration is obtained with the electrical diagram of FIG. 11b, limitingly implementing a resistor, and thus causing a spatial variation of the potential V.
  • the electrical diagram of FIG. 11c implementing inductances, a spatio-temporal variation of the potential V is obtained, the inductance inducing a delay.
  • FIG. 12a and 12b illustrate a pyramidal checkerboard structure obtained from a beveled electrode configuration, respectively in cross-section and viewed from above.
  • the checkered structure component can be adapted to microwell plates already used for this type of application. These plates have microcuvettes, generally distributed in matrix. The flanks of the cuvettes may constitute the support of the electrodes implemented in accordance with the invention.
  • Each well consists of an elementary pyramidal component and acts as a pad capable of chemically differentiating, by the nature of the capture surface positioned at the bottom of the well, a desired molecule.
  • the individual ignition (addressing) of each pad consists in applying an electric potential on each group of electrodes. Ignition of the wells simultaneously or sequentially promotes the capture of molecules by dielectrophoresis.
  • the main interest of this particular configuration is to find the operation of a planar system while separating the electrical surfaces of the capture surfaces.
  • the collection is improved if an insulating base is used as the collection surface. Indeed, it is demonstrated that with such a collection surface, it avoids the concentration of particles collected at the electrodes, that is to say at the place where the electric field is the most intense.
  • the insulating base then acts as a stopping or confinement zone, which is no longer in contact with the electrodes.
  • this insulating base is replaced by a base made of a conductive material, electrically isolated from the electrodes, and carried for example to ground or polarized.
  • the practice then demonstrates that the collection of particles occurs at the central part of said base, and no longer at the edges, as the previous case using an insulating base.
  • This embodiment has a number of advantages, among which may be mentioned:
  • the substrate to be conductive it advantageously has a layer made of gold, silver, platinum, aluminum or chromium.
  • a layer made of gold, silver, platinum, aluminum or chromium To be more transparent, it can be made in ITO (generic term designating the oxides of Indium) or polyaniline.
  • the detection can thus be carried out optically, and in particular by fluorescence, whether the base is transparent or not. In the latter case, we go through the excitation of fluorescence via a surface plasmon. This detection can also be carried out in surface plasmon resonance. It can also be performed electrically then using the base as an active electrode during a read operation.
  • the device of the present invention is of interest inasmuch as, first and foremost, it makes it possible to define a field of dielectrophoretic forces extending within the entire volume of fluid, which the could not be obtained with the devices of the prior art.

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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 en 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 RÉALISER LA SÉPARATION DIELECTROPHORETIOUE 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 ANTÉRIEUR 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 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 bio sécurité, des contrôles sanitaires, des contrôles qualité agroalimentaires, la recherche de nouveaux médicaments. On peut également mentionner les applications mettant en œuvre les micro-capsules et les micro-sphères (peintures, cosmétiques, domaine alimentaire), les aérosols (pollution atmo sphérique) , 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 œuvre 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 ; - les propriétés électriques :
* électrophorèse : l'application d'un champ électrique E 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. * diélectrophorèse : cette technologie met en œuvre 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 œuvre du phénomène de diélectrophorèse dans le cadre de la séparation des matériaux, a été décrite, par exemple dans le document US- A- 3 162 592. Ce phénomène de diélectrophorèse présente un certain nombre d'avantages, justifiant 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 Félectrophorèse 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 œuvre 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 œuvre 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 passive, 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.
Les types les plus répandus sont les électrodes interdigitées, les électrodes crénelées, et les quadrupôles (voir figures la, Ib, Ic, 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 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 :
Figure imgf000006_0001
dans laquelle d est la distance entre le centre de l'espace séparant deux électrodes adjacentes et le centre de l'électrode, V0 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. 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 œuvre, 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 Félectro-convection. 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 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 notamment dans les systèmes à configuration planaire, où l'entraînement par électro- convection va en général à rencontre 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 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'électro- convection en jouant sur la fréquence.
II 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 œuvre 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. RESUME DE L'INVENTION
L'objet de la présente invention a donc pour objectif la séparation des particules d'un fluide par diélectrophorèse, s'affranchissant de l'ensemble de ces différents inconvénients.
Fondamentalement, elle vise à substituer une configuration planaire du type de celles décrites précédemment, qu'il s'agisse d'une configuration d'interdigitation, crénelée ou quadripôle, par la mise en œuvre d'une structure globalement pyramidale, dans laquelle lesdites électrodes générant le phénomène de diélectrophorèse ne constituent plus la zone de collecte des particules.
Le dispositif conforme à l'invention pour la séparation diélectrophorétique comprend deux types d'électrodes, 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'électrode 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.
Ce dispositif se caractérise : en ce que chacun des deux types d'électrodes est immergé dans le fluide au sein de l'enceinte ou canalisation et sont situés dans des plans différents de celui de la surface de collecte ; 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 perpendiculaire à la surface de collecte.
En d'autres termes, l'invention consiste : à positionner les deux groupes ou types d'électrodes selon la direction oz, les deux groupes étant alimentés en opposition de phases ; à rendre chacun des groupes d'électrodes capable de délivrer un potentiel électrique variable selon cette direction oz ; - et enfin, à imposer un profil de potentiel tel que la force diélectrophorétique résultante soit toujours orientée selon la direction oz. En d'autres termes, et comme déjà dit, les électrodes perdent leur rôle de surface de collecte et n'ont plus qu'un rôle limitativement électrique, à savoir délivrer un champ électrique non uniforme, en vue de produire des forces diélectrophorétiques efficaces pour la collecte et dirigées vers la surface de collecte, et donc vers le fond de l'enceinte ou de la canalisation.
Avantageusement, les deux types d'électrodes sont alimentés en courant électrique de façon alternative.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La manière dont l'invention peut être réalisée, et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées.
Les figures la, Ib et Ic sont des représentations schématiques vue du dessus de trois configurations planaires d'électrodes selon l'art antérieur, respectivement interdigitées, crénelées, et en quadripôle.
La figure 2 est une représentation schématique en section transversale des électrodes de la figure la.
Les figures 3a et 3b illustrent schématiquement le principe général sous-tendant l'invention.
La figure 4 est un graphe illustrant la variation relative de la force diélectrophorètique en fonction de la distance de sa mesure par rapport à la surface de collecte, respectivement pour une configuration interdigitée, pour une configuration à électrodes biseautées, et pour une configuration à électrodes empilées.
La figure 5 est une représentation schématique illustrant l'invention selon la configuration à électrodes biseautées de l'invention.
La figure 6 est une représentation schématique illustrant l'invention selon la configuration à électrodes inclinées de l'invention.
Les figures 7a, 7b et 7c illustrent la possibilité de collecter sur une surface définie selon le régime de diélectrophorèse mis en œuvre, respectivement en mode positif et en mode négatif au moyen de la configuration à électrodes biseautées de l'invention.
La figure 8 est une représentation schématique illustrant l'invention selon la configuration à électrodes isolées de l'invention.
La figure 9 est une représentation schématique illustrant l'invention selon la configuration à électrodes empilées de l'invention. Les figures 10a à 10d illustrent le principe mis en œuvre pour le fonctionnement de la configuration précédente, avec variation spatio-temporelle du potentiel V. Les figures lia, 11b et lie illustrent schématiquement différents circuits électriques susceptibles de permettre le fonctionnement des électrodes en configuration empilée. Les figures 12a et 12b illustrent une configuration de l'invention en mode damier, respectivement en section transversale et vue du dessus.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
L'un des objectifs visés par l'invention consiste à obtenir d'une part, une force diélectrophorétique parallèle à l'axe oz, c'est à dire perpendiculaire au plan de collecte, et d'autre part, répartie de façon contrôlée selon oz. Par exemple, l'intensité de la force di-électrophorétique peut être d'intensité sensiblement constante selon l'axe oz.
Pour ce faire, et compte-tenu des phénomènes connus de diélectrophorèse, il importe de créer un module du champ électrique VE2 orienté selon l'axe oz, ce qui implique que le champ électrique E doit être perpendiculaire aux deux groupes d'électrodes.
Afin d'aboutir à ce résultat, on met en œuvre un profil variable du potentiel appliqué à chacun des groupes d'électrodes, selon différentes configurations possibles. On a schématisé en relation avec les figures 3a et 3b le principe général de fonctionnement du dispositif de l'invention.
En premier lieu, il convient de souligner que le positionnement de chacun des deux groupes d'électrodes selon l'axe oz, c'est à dire selon la direction perpendiculaire au plan de collecte, ne limite plus la portée de la force diélectrophorétique selon cette direction.
En effet, la répartition de cette force selon l'axe oz est la conséquence directe de la hauteur h des deux groupes d'électrodes selon cette direction oz, outre de la forme du potentiel électrique V(z), imposé sur ces deux groupes.
On a représenté en relation avec la figure 4 la variation de la force diélectrophorétique selon l'axe oz pour trois configurations différentes : - les électrodes interdigitées de l'art antérieur ; une configuration de type pyramidal avec des électrodes empilées ; une configuration de type pyramidal avec des électrodes biseautées. Les deux configurations de type pyramidal précitées, conformes à l'invention, seront décrites ci-après plus en détail.
Ainsi que mentionné en relation avec la description des inconvénients liés aux configurations de l'art antérieur, on observe une diminution très rapide de la portée effective de la force diélectrophorétique selon l'axe oz dans le cadre des électrodes interdigitées.
En revanche, on peut observer que cette décroissance pour une configuration pyramidale à électrodes biseautées conforme à l'invention est beaucoup plus lente. En outre, dans le cadre de la configuration à électrodes empilées, l'intensité de la force croît de manière sensiblement linéaire, dès lors que l'on s'éloigne de la surface de collecte (c'est à dire pour z = 0). De façon plus générale, en maîtrisant le profil du potentiel appliqué, l'intensité de la force pourra être contrôlée.
L'inconvénient lié aux configurations planaires, et notamment interdigitées, constitué par la décroissance exponentielle de l'intensité de la force diélectrophorétique est donc supprimée et, à tout le moins largement amoindri.
A titre surabondant, il convient de souligner que dans la mesure où, selon l'invention, les électrodes ne constituent plus une surface de collecte des particules à séparer, les dimensions desdites électrodes ne constituent donc plus un facteur limitant à l'étape de lecture, leur taille pouvant être adaptée au volume de fluide à traiter.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif peut fonctionner aussi bien en diélectrophorèse positive qu'en diélectrophorèse négative, permettant ainsi d'augmenter significativement les domaines d'application de la présente invention. En effet, il est possible d'imposer un profil non constant du potentiel V(z), sur chacun des deux groupes d'électrodes A et B, conférant ainsi un degré de liberté supplémentaire pour le pilotage du phénomène de diélectrophorèse.
Ainsi, selon la forme du potentiel V(z), l'orientation + oz ou - oz des forces diélectrophorétiques est maîtrisée, et corollairement, l'efficacité du dispositif de l'invention n'est plus dépendante du type de régime de diélectrophorèse. Il convient de rappeler à cet égard que les configurations planaires précitées nécessitent impérativement un régime de diélectrophorèse positive, pour réaliser la collecte sur une surface solide. Ainsi, dans un premier cas, par exemple en régime de diélectrophorèse positive et pour une surface de collecte fixée, le potentiel V(z) va être décroissant avec oz, et applicable à un ensemble particules-fluide déterminé et selon une fréquence de signal des électrodes également déterminée.
En revanche, avec un autre ensemble particules-fluide, ou selon une autre fréquence de signal, on peut aboutir à un régime de diélectrophorèse négative, cette fois en faisant croître le potentiel V(z) intervenant au niveau de chacun des deux groupes d'électrodes avec oz, afin d'obtenir la collecte sur la même surface que précédemment.
En d'autres termes, le signal V(z) est inversé par rapport à la configuration précédente, afin de maintenir une force diélectrophorétique toujours orientée en direction de la surface de collecte, notamment si le fluide devient très conducteur, ou si l'on veut travailler avec une autre fréquence.
Structurellement, dans le cadre de la configuration des électrodes selon l'invention, celles-ci ne constituent plus une quelconque surface de collecte. Ce faisant, cette configuration n'est plus limitée par Félectro-convection, qui devient même un phénomène favorable à la diélectrophorèse, dans la mesure où il n'empêche plus la collecte des particules par diélectrophorèse, mais au contraire la favorise. La convection contribue en effet à brasser le fluide au-dessus de la surface de capture ou de collecte, augmentant ainsi la probabilité de passage des particules qu'il contient sur cette surface de collecte.
Parmi les autres avantages inhérents à la configuration particulière des deux groupes d'électrodes de l'invention, on peut également souligner celui inhérent directement à la séparation des fonctions de collecte et des fonctions électriques, puisqu'il devient possible d'envisager l'utilisation de protocoles de lecture maîtrisés sur les surfaces non électriques. Notamment, les techniques d'immobilisation de molécules sont bien maîtrisées sur le verre, la silice, le silicium, ou sur les matières plastiques, alors que ce n'est pas le cas sur les surfaces métalliques conductrices.
Selon l'invention, le dispositif pyramidal peut adopter trois configurations possibles qui correspondent à trois types d'électrodes composant les groupes : - les électrodes empilées ; les électrodes biseautées ; et les électrodes isolées. Ces trois configurations permettent d'éliminer les inconvénients liés aux systèmes interdigités, et plus généralement aux systèmes à configuration planaire. Bien que les performances de ces trois types d'électrodes ne soient pas égales, les avantages liés à la structure pyramidale qu'elles mettent en œuvre, et mentionnés précédemment sont conservés. Le choix du type d'électrodes dans le dispositif de séparation dépend des objectifs de performance à atteindre, ainsi que des techniques de fabrication disponibles.
Il faut mentionner que les techniques de microélectronique déjà utilisées pour réaliser les systèmes planaires peuvent être conservées pour la réalisation de ces électrodes. Elles peuvent être assemblées dans un macrosystème qui contient la surface de collecte et qui doit assurer toutes les autres fonctions non électriques (étanchéité, alimentation fluidique, connexion à un système de lecture, etc..) associées au composant selon son type d'utilisation (capture, séparation, tri, etc.). Elles peuvent aussi être réalisées dans un micro système.
CONFIGURATION A ELECTRODES BISEAUTEES
Afin de délivrer une force diélectrophorétique parallèle à l'axe oz et la plus uniforme possible, il a été montré précédemment qu'il convenait d'imposer un potentiel V(z) variable selon oz sur chacun des groupes d'électrodes A et B (voir figure 3). Or, de par leur nature métallique fortement conductrice, les électrodes ont un potentiel uniformément réparti sur leur surface si elles sont connectées à un générateur de tension. Ainsi, une électrode plane, dont la surface est parallèle à l'axe oz délivre un potentiel constant selon oz.
En revanche, une électrode dont la surface n'est pas parallèle à l'axe oz va délivrer un potentiel V(z) variable sur le plan parallèle à oz.
Afin d'aboutir à une telle configuration, l'invention préconise, selon une première forme de réalisation, dite à « électrodes biseautées », selon la figure 5, que les groupes d'électrodes A et B soient chacun composé d'une électrode unique, alimentées au potentiel de valeur crête Vo, dont la surface respective en contact avec le fluide présente une inclinaison d'un angle θ par rapport à l'horizontale, leur conférant un aspect biseauté. En d'autres termes, les électrodes présentent une section longitudinale trapézoïdale rectangle, dont la face inclinée est au contact du fluide. L'angle θ dépend du volume de fluide à traiter et de la nature du couple particules- fluide : il doit satisfaire la condition 0 < θ < 90°.
Pour toute valeur de θ prise dans l'intervalle ainsi défini, correspond un potentiel Vo qui permet d'obtenir une force diélectrophorétique capable de déplacer les particules. Plus l'angle θ est grand sans pour autant dépasser 90°, plus l'intensité de la force diélectrophorétique est élevée.
La condition θ = 90° ne doit pas être atteinte car elle correspond au cas où la surface de l'électrode en contact avec le fluide est parallèle à oz, ce qui annule la variation du potentiel V avec z, donc la force diélectrophorétique, ainsi que montré précédemment.
La condition θ = 0 peut être envisagée, puisqu'elle correspond à un système interdigité : l'intensité de la force est limitée selon oz mais reste cependant efficace sur les arêtes des électrodes.
Cette configuration particulière, dite à « électrodes biseautées » est équivalente à la configuration obtenue avec deux électrodes planes en regard, qui sont inclinées d'un angle θ, toujours par rapport à l'horizontale illustrée en relation avec la figure 6.
Quel que soit le mode retenu pour aboutir à une telle configuration, c'est-à-dire, que l'on mette en œuvre des électrodes non planes, ou que l'on mette en œuvre des électrodes planes mais inclinées, la taille des électrodes selon l'axe oy, correspondant à l'épaisseur des électrodes n'a pas d'incidence sur la fonctionnalité du dispositif de l'invention.
Parallèlement, la compensation de la transition d'un régime de diélectrophorèse positive à un régime de diélectrophorèse négative peut se faire soit en inversant l'inclinaison des électrodes (figure 7b), soit en déplaçant la surface de collecte C sur la partie haute du composant, ainsi que représenté en figure 7c.
Ainsi, sur la figure 7a, un régime de diélectrophorèse positive est mis en œuvre, selon la configuration à électrodes biseautées du type précédemment décrit, et variation croissante du potentiel V en fonction de oz. En revanche, un régime de diélectrophorèse négative est mis en œuvre dans les figures 7b et 7c, respectivement en inversant le profil des électrodes, afin d'aboutir à une variation décroissante du potentiel en fonction de oz, et en positionnant la surface de collecte au niveau supérieur de l'enceinte de stockage ou de déplacement du liquide à traiter et en conservant la variation croissante du potentiel avec l'axe oz.
CONFIGURATION A ELECTRODES ISOLEES
Afin d'aboutir à une variation du potentiel V(z) selon l'axe oz, l'invention propose, une seconde forme de réalisation dite à « électrodes isolées », plus particulièrement décrite en relation avec la figure 8. Selon cette configuration, les groupes d'électrodes A et B sont chacun composé d'une électrode unique, alimentée au potentiel de valeur crête Vo, chacune desdites électrodes étant revêtue au niveau de sa face en contact avec le fluide, d'une couche réalisée en un matériau isolant électrique I. Le dépôt de cette couche de matériau isolant est réalisé de façon telle, que la surface dudit isolant en contact avec le fluide présente une inclinaison d'un angle θ par rapport à l'horizontale. En d'autres termes, cela revient à faire varier l'épaisseur de la couche d'isolant selon l'axe oz.
L'invention consiste à jouer sur l'épaisseur de la couche isolante pour créer un potentiel variable V(z) le long de l'électrode et selon l'axe oz. Dans cette configuration, l'électrode proprement dite présente une surface parallèle à la direction oz et c'est l'isolant d'épaisseur variable avec z qui crée la fonction V(z) non constante.
Les conditions à remplir sur la valeur de l'angle θ sont identiques à celles décrites en relation avec la configuration à électrodes biseautées ou inclinées.
Corollairement, les conditions pour contrebalancer un éventuel passage d'un régime de diélectrophorèse positive à un régime de diélectrophorèse négative sont également identiques que celles précédemment indiquées.
La nature du matériau isolant n'est pas prédéfinie. Il doit être choisi afin qu'il assure une bonne adhérence mécanique sur l'électrode, une bonne homogénéité à l'imperméabilité des charges électriques et des propriétés mécaniques qui le rendent facilement usinable. L'utilisation d'électrodes isolées peut apporter une très nette amélioration des performances d'un système de diélectrophorèse. Comme déjà dit, la présence de champs électriques dans les fluides conducteurs peut induire des transferts de charges électriques au niveau des électrodes, susceptibles ainsi de générer des réactions électrochimiques. Ces réactions électrochimiques aux électrodes constituent autant de facteurs limitants à l'efficacité de la séparation, car elles occasionnent en général des dégagements gazeux qui dégradent rapidement les performances électriques du composant. Les intensités des champs électriques appliqués sont principalement limitées par ces effets électrochimiques. Or, si l'intensité des champs appliqués est augmentée, l'intensité des forces diélectrophorétiques qui en découlent sont également augmentées, optimisant ainsi l'efficacité du composant.
En l'espèce, la couche isolante empêche les charges électriques de passer entre le fluide et l'électrode considérée. Il limite de ce fait l'apparition des réactions électrochimiques aux électrodes et permet de travailler avec des niveaux de champ électrique supérieurs (c'est-à-dire des niveaux de potentiel appliqué V0) à ceux habituellement obtenus avec des électrodes non isolées. L'augmentation de l'intensité du champ électrique conduit à des forces diélectrophorétiques plus intenses. Les performances des dispositifs mettant en œuvre de telles électrodes isolées sont meilleures, indépendamment de leur configuration géométrique.
CONFIGURATION A ELECTRODES EMPILEES
Pour obtenir une variation du potentiel V(z) selon l'axe oz, l'invention propose, une troisième forme de réalisation dite à « électrodes empilées », décrite en relation avec les figures 9 et 10. Selon cette configuration, chaque groupe d'électrodes A et B est constitué d'un empilement d'électrodes, alimentées par un signal électrique de manière individuelle, et séparées par un matériau isolant.
Le nombre N d'électrodes empilées dans chaque groupe et leur dimension selon oz ne sont pas fixés. Chaque groupe doit avoir au moins deux électrodes et leur nombre N croissant améliore les performances recherchées du composant. Les valeurs des potentiels Vi appliqués à chaque électrode positionnée à la coordonnée zi détermine la fonction globale V(z) telle que :
Figure imgf000017_0001
i=l,N La forme de la fonction V(z) peut être polynomiale en z :
V(z) = Xv1(Z1) = anzn + an_1z11-1 + ...+ alZ + a0 i=l,N où n est l'ordre du polynôme.
Mais toute autre forme peut être envisagée, dès lors qu'elle est fonction de la coordonnée z (exponentielle, logarithmique...).
Comme déjà dit, on peut jouer sur la valeur des potentiels V1 pour éventuellement inverser le sens de variation de la fonction V(z) en cas d'inversion de régime de diélectrophorèse.
La configuration à électrodes empilées peut être utilisée soit en appliquant simultanément à chacun des deux groupes A et B d'électrodes un potentiel différent (V1, V2, V3) sur chaque électrode (variation spatiale du potentiel), soit en appliquant un potentiel (constant ou pas) de façon séquentielle sur chaque électrode (variation temporelle du potentiel). Selon cette seconde alternative (figures 10a à 1Od), les électrodes sont consécutivement « allumées » les unes après les autres, c'est à dire qu'elles sont portées à un même potentiel consécutivement, induisant un gradient spatio-temporel du potentiel et une force diélectrophorétique qui, dans le temps, se déplace vers la surface de capture, conférant un effet piston sur les particules.
Une possibilité simple pour alimenter différemment (spatialement et temporellement) chaque électrode de chaque groupe est indiquée sur les schémas électriques représentés en relation avec les figures 1 la, 1 Ib et 1 Ic.
Selon le schéma électrique de la figure lia, on place aux bornes de chaque électrode une impédance Z1, composée d'une combinaison Résistance - Inductance R1L1.
Par exemple, une configuration sans déphasage est obtenue avec le schéma électrique de la figure 11b, mettant limitativement en œuvre une résistance, et provoquant ainsi une variation spatiale du potentiel V. Avec le schéma électrique de la figure lie, mettant en œuvre des inductances, on obtient une variation spatio-temporelle du potentiel V, l'inductance induisant un retard. CONFIGURATION A ELECTRODES EN DAMIER
Les différentes configuration décrites précédemment peuvent permettre de créer un composant à structure en damier. Ce composant est constitué par l'assemblage de plusieurs composants pyramidaux du type décrit ci-dessus, dont le nombre n'est pas fixé. Le fluide et les particules sont disposés au-dessus du composant. Les figures 12a et 12b illustrent une structure pyramidale à damier obtenue à partir d'une configuration à électrodes biseautées, respectivement en section transversale et vue du dessus.
Dans le cadre des applications de l'invention à des analyses moléculaires, il est nécessaire de pouvoir détecter une ou des molécules particulières qui seraient présentes parmi d'autres. Le composant à structure en damier peut être adapté sur des plaques micropuits déjà utilisées pour ce type d'application. Ces plaques présentent des micro-cuvettes, en général réparties en matrice. Les flancs des cuvettes peuvent constituer le support des électrodes mises en œuvre conformément à l'invention. Chaque puits est constitué d'un composant pyramidal élémentaire et joue le rôle d'un plot capable de différencier chimiquement de par la nature de la surface de capture positionnée au fond de puits, une molécule recherchée. L'allumage individuel (adressage) de chaque plot consiste à appliquer un potentiel électrique sur chaque groupe d'électrodes. L'allumage des puits de façon simultanée ou de façon séquentielle permet de favoriser la capture des molécules par diélectrophorèse. L'intérêt principal de cette configuration particulière est de retrouver le fonctionnement d'un système planaire tout en séparant les surfaces électriques des surfaces de capture.
Quelle que soit la configuration choisie, on montre que la collecte est améliorée si l'on met en œuvre en tant que surface de collecte un socle isolant. En effet, on démontre qu'avec une telle surface de collecte, on évite la concentration des particules collectées au niveau des électrodes, c'est à dire au niveau du lieu où le champ électrique est le plus intense. Le socle isolant joue alors le rôle de zone d'arrêt ou de confinement, qui n'est plus en contact avec les électrodes.
Dans une variante de l'invention, on remplace ce socle isolant par un socle en un matériau conducteur, isolé électriquement des électrodes, et porté par exemple à la masse ou polarisé. La pratique démontre alors que la collecte des particules intervient au niveau de la partie centrale dudit socle, et non plus au niveau des bords, comme le cas précédent mettant en oeuvre un socle isolant.
Cette forme de réalisation présente un certain nombre d'avantages, parmi lesquels on peut mentionner :
• le confinement des particules en une zone plus dégagée, permettant ainsi une rediffusion plus rapide des particules ;
• la plus grande facilité de réalisation du greffage de plots de capture biologique, en raison de la position centrale par rapport à l'axe du canal d'écoulement du fluide contenant lesdites particules ;
• la plus grande facilité d'effectuer une lecture optique, par exemple par fluorescence, en raison de la moindre diffraction du signal par les bords du canal d'écoulement, et par la diminution des phénomènes de vignettage résultant de l'occultation des faisceaux lumineux par ces mêmes parois.
Le substrat devant être conducteur, il présente avantageusement une couche réalisée en or, en argent, en platine, en aluminium ou en chrome. Pour être en plus transparent, il pourra être réalisé en ITO (terme générique désignant les oxydes d'Indium) ou en polyaniline.
La détection peut ainsi être réalisée de manière optique, et notamment par fluorescence, que le socle soit transparent ou non. Dans ce dernier cas, on passe par l'excitation de la fluorescence via un plasmon de surface. Cette détection peut également être réalisée en résonance de plasmon de surface. Elle peut encore être réalisée de manière électrique en utilisant alors le socle comme une électrode active lors d'une opération de lecture.
On conçoit dès lors tout l'intérêt du dispositif de la présente invention, dans la mesure où, fondamentalement et en premier lieu, il permet de définir un champ de forces diélectrophorétiques s'étendant au sein de tout le volume de fluide, ce que l'on ne pouvait obtenir avec les dispositifs de l'art antérieur.
Ensuite, il permet de fonctionner aussi bien en régime de diélectrophorèse positive que diélectrophorèse négative, optimisant ainsi le nombre de couples particules-fluide susceptible d'être traités, et offrant au manipulateur une plus large gamme de fréquences de fonctionnement.

Claims

17REVENDICATIONS
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. 18
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. 19
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.
PCT/FR2005/050745 2004-10-04 2005-09-15 Dispositif pour realiser la separation dielectrophoretique de particules contenues dans un fluide WO2006037910A1 (fr)

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