WO2012156388A1 - Procédé d'identification de la phase d'un échantillon fluide dans un dispositif microfluidique - Google Patents

Procédé d'identification de la phase d'un échantillon fluide dans un dispositif microfluidique Download PDF

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Frédéric Bottausci
Cédric ALLIER
Arnaud Rival
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Definitions

  • the present invention relates to the general field of microfluidics and relates to a method and an identification device by electrowetting or dielectrophoresis of the liquid or gaseous state of a fluid sample located in a microfluidic system of closed or confined type.
  • the invention thus makes it possible to detect an undesired foreign body within the microfluidic system.
  • thermodynamic phase of said sample By liquid or gaseous state of the fluid sample is meant the thermodynamic phase of said sample.
  • the fluid sample may therefore be in the form of a drop of liquid or a gas bubble, and is located between two walls of the microsystem and surrounded by a liquid immiscible with it.
  • microfluidic systems of the laboratory-on-chip type (Lab-on-Chip" in English) can be used, which can effectively handle small volumes of liquid.
  • the microfluidic system is advantageously closed or confined.
  • the liquid sample is then located or confined between two parallel walls and surrounded by a liquid immiscible with the liquid of the sample.
  • sample confined between two walls is meant a sample having a thickness, according to the distance between the walls, less than or equal to its diameter.
  • the sample may or may not be in contact with said walls.
  • Closed or confined microfluidic systems are thus distinguished from so-called "open" microfluidic systems in which the liquid sample rests on a single substrate and is surrounded by gas and not liquid.
  • the monitoring of the liquid sample during its displacement is generally carried out by the optical observation of the liquid sample, for example by means of a camera possibly connected to a unit signal processing.
  • Figure 1 illustrates an example of a closed or confined microfluidic system 1 as presented in the article by Shin and Lee entitled “Machine vision for digital microfluidics", Rev. Sci. Instrum., 2010, 81, 014302.
  • a drop 2 of an electrically conductive liquid is confined between two parallel walls 11, 21. These walls 11, 21 are formed by the surfaces of a lower substrate 10 and an upper substrate 20 arranged vis-à-vis.
  • the lower substrate 10 is provided with an independently activatable matrix of electrodes 12, covered with a dielectric layer 14 and a first hydrophobic layer 13.
  • the upper substrate 20 comprises a counter-electrode 22 covered by a second hydrophobic layer 23.
  • the drop 2 is located between the two walls 11, 21 and is in contact with the two hydrophobic layers 13, 23.
  • the drop 2 is, moreover, surrounded by a dielectric liquid 3 and immiscible with it, for example silicone oil.
  • the drop 2 is moved by electrowetting between the two substrates 10, 20, that is to say by modifying the wetting angle of the drop 2 due to the application of a suitable electric field between the electrode matrix 12 and the counterelectrode 22.
  • the microfluidic system 1 illustrated in FIG. 1 comprises a control unit making it possible both to detect the presence of a drop and to ensure its displacement.
  • the control unit comprises a means for displaying the drop 50, for example a direct light type optical microscope.
  • the visualization is performed through the upper substrate 20, which is then transparent.
  • the microscope 50 is connected to means for managing the shooting and storage of data, for post-processing and analyzing the sequences of images produced, here a computer 60 of the PC type.
  • the images can be scanned in real time and the contour of the drop is detected in post-processing using an image processing software.
  • the computer 60 comprises control means, connected to the switching means of the electrode array, for controlling or activating the electrodes 12 one by one.
  • microfluidic systems are presented in the article by Pollack et al. entitled “Electrowetting-based actuation of droplets for integrated microfluics", Lab Chip, 2002, 2 (1), 96-101.
  • the microfluidic system may comprise unwanted foreign bodies, in particular bodies having a phase different from that of the drops to be handled, which can not be identified as such by the control unit.
  • Such foreign bodies may indeed have optical properties similar to those of the drops, so that the control unit can not identify whether the observed sample is a drop of liquid to move or a gas bubble.
  • control unit can identify the phase of the observed sample, since a gas bubble surrounded by a dielectric liquid can not be moved by electrowetting.
  • the presence of a gas bubble in a microfluidic system can disturb, by its presence, the movement of the nearby liquid drops.
  • the object of the invention is a method for detecting the presence of a gas bubble in a closed or confined microfluidic system, this detection being carried out by comparing at least two optical signals.
  • the invention relates to a method for identifying the electrically conductive or gaseous liquid state of a fluid sample located between two walls of a microfluidic system and surrounded by an immiscible dielectric liquid. According to the invention, the following steps are carried out:
  • an electric field is generated capable of modifying, by electrowetting, the position and / or the shape of said sample in the case where it is in the electrically conductive liquid state;
  • the state of said fluid sample is identified as gaseous from said first and second optical signals.
  • This identification is performed by comparing said first and second optical signals. When the fluid sample is gaseous, said first and second signals are similar. When the comparison is a subtraction, it is determined that the fluid sample is gaseous when the value of said subtraction is below a certain threshold.
  • the electric field generated is advantageously continuous or alternating. In this case, it presents a frequency substantially lower than or equal to 10 kHz.
  • the invention also relates to a method for identifying the dielectric or gaseous liquid state of a fluid sample located between two walls of a microfluidic system and surrounded by a nonpolar and immiscible liquid. According to the invention, the following steps are carried out:
  • the state of said fluid sample is identified as gaseous from said first and second optical signals.
  • This identification is performed by comparing said first and second optical signals. When the fluid sample is gaseous, said first and second signals are similar. When the comparison is a subtraction, it is determined that the fluid sample is gaseous when the image resulting from this comparison has an integral less than a certain threshold.
  • the electric field has a frequency strictly greater than 10 kHz.
  • said first and second optical signals are images of said detection zone.
  • a high-pass spatial filter can be applied to the received images to extract the contour of the sample.
  • a value associated with the comparison of the first optical signal and the second optical signal is determined.
  • This value can be determined from a combination of said optical signals, for example a subtraction.
  • the value associated with the comparison is the integral of the intensity of the optical signal formed by the subtraction.
  • said comparison may be a subtraction of these two images, and the value associated with the comparison may be the integral of the image formed by this subtraction.
  • Said fluid sample may be static, or in continuous movement under the action of positioning means, during said steps of receiving the light signals. Prior to the step of generating the electric field, said fluid sample partially overlaps said detection electrode.
  • the recovery rate can range from 1% to 99%, for example, 5%, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, or 90%.
  • the invention also relates to a device for identifying the electrically conductive or gaseous liquid state of a fluid sample located between two walls of a microfluidic system and surrounded by an immiscible dielectric liquid.
  • the device comprises:
  • a detection zone comprising a detection electrode located at one of said walls
  • optical receiving means for receiving a first optical signal from said detection area before said generation of the electric field and a second optical signal from said detection area during said generation of the electric field; computing means for comparing said first and second previously received optical signals;
  • the invention finally relates to a device for identifying the dielectric or gaseous liquid state of a fluid sample located between two walls of a microfluidic system and surrounded by a nonpolar and immiscible liquid.
  • the device comprises:
  • a detection zone comprising a detection electrode located at one of said walls
  • optical receiving means for receiving a first optical signal from said detection area before said generation of the electric field and a second optical signal from said detection area during said generation of the electric field; calculating means for comparing said first and second previously received light signals;
  • Figure 1 is a schematic view of a microfluidic system of closed or confined type, comprising a drop displacement control unit, according to an example of the prior art;
  • Figure 2 is a schematic view of a microfluidic system of closed or confined type, comprising a device for identifying the phase of a fluid sample according to the invention
  • FIGS. 3A, 3B and 3C are diagrammatic views from above of an electrode array comprising a detection electrode, for three instants of the identification method according to a first embodiment of the invention
  • Figure 4 is a flowchart for implementing the identification method according to the first embodiment of the invention
  • Figure 5A is a top view of a detection electrode of a microfluidic system according to one embodiment of the invention.
  • FIGS 5B and 5C are top views of the detection electrode shown in Figure 2, for two instants of the identification method according to the first embodiment of the invention.
  • FIGS. 6A, 6B and 6C are top views of an electrode array comprising a detection electrode, for three instants of the method of identification according to a variant of the first embodiment of the invention
  • FIGS. 7A, 7B and 7C are top views of an electrode array comprising a detection electrode, for three instants of the identification method according to another variant of the first embodiment of the invention.
  • Figure 8 is a flowchart for implementing the identification method according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a microfluidic system 1 comprising an identification device according to the first embodiment of the invention.
  • the device makes it possible to identify the electrically conductive or gaseous liquid state of a fluid sample 2 present in the microsystem 1 by electrowetting, more specifically by electrowetting. on dielectric (EWOD in English, for
  • the fluid sample 2 can be a drop of an electrically conductive liquid, for example water, a physiological saline, or even a biological fluid comprising analytes, or be a gas bubble, for example an air bubble.
  • an electrically conductive liquid for example water, a physiological saline, or even a biological fluid comprising analytes
  • a gas bubble for example an air bubble.
  • the microfluidic system 1 makes it possible to move drops of liquid by electrowetting.
  • the electrowetting mode of travel is described in detail below.
  • the terms “lower” and “upper” are here to be understood in terms of orientation along the Z direction of said mark.
  • the microfluidic system 1 according to the invention comprises two walls 11, 21 between which is located, or even confined, a fluid sample 2.
  • the fluid sample 2 is said to be confined when it has a thickness substantially greater than its diameter.
  • the thickness of the sample is here defined by the distance between the two walls 11, 21.
  • the sample 2 is here in contact with the two walls 11, 21 simultaneously.
  • the fluid sample 2 is surrounded by a liquid
  • the fluid sample 2 is delimited by a "fluid / liquid surrounding" interface.
  • the space delimited by said walls 11, 21 is thus filled with the surrounding liquid 3 and comprises the fluid sample 2.
  • the lower substrate 10 is provided with an independently activatable matrix of electrodes 12, covered with a dielectric layer 14 and a first hydrophobic layer 13.
  • the first wall 11 is formed by the surface of the first hydrophobic layer 13 .
  • the upper substrate 20 comprises a counter-electrode 22 covered by a second hydrophobic layer 23.
  • the free surface of the second hydrophobic layer 23 forms the second wall 21 of the two walls 11, 21 of the microfluidic system 1.
  • hydrophobic nature of the hydrophobic layers 13, 23 means that the sample 2 has at rest, that is to say when the electrode 12 located below of the sample is not activated, a contact angle on these layers greater than 90 °.
  • the microfluidic system 1 comprises an electrowetting identification device of the gaseous or conductive liquid state of the fluid sample 2.
  • the device comprises a detection electrode 15 among the electrodes 12 of said electrode matrix. It is located in a so-called detection zone 4.
  • the detection zone 4 comprises the space between the two walls 11, 21, in which the detection electrode 15 is arranged.
  • the identification device comprises positioning means (not shown) of the fluid sample 2 able to position said sample 2 in the detection zone 4, so that said sample 2 partially covers said detection electrode 15.
  • the positioning means may be pumping means, such as an Instech P625 / 66.133 peristaltic pump, and are able to move a liquid or gaseous sample, such as a drop of liquid or a gas bubble.
  • pumping means such as an Instech P625 / 66.133 peristaltic pump, and are able to move a liquid or gaseous sample, such as a drop of liquid or a gas bubble.
  • the identification device comprises means 40 for generating an electric field from said detection electrode.
  • the electric field is able to modify, by electrowetting, the position and / or the shape of said sample 2 in the case where it is in the electrically conductive liquid state, that is to say an electrically conductive liquid drop, and not not a gaseous sample such as a gas bubble. This property of acting on a conductive liquid drop and not a gas bubble is explained in detail later.
  • These means 40 for generating an electric field comprise a voltage generator 41 connected to the detection electrode 15 and against the electrode 22.
  • the potential difference applied between the detection electrode 15 and the counterelectrode 22 has an intensity and frequency to act by electrowetting on a drop of a conductive liquid and not on a gas bubble. By acting, we mean move and / or deform.
  • the identification device comprises optical reception means 50 for receiving light signals, or optical signals, from said detection zone, for example a direct light type optical microscope.
  • the display is preferably performed through the upper substrate 20, which is then transparent.
  • the optical reception means for example the microscope 50, is connected to computing means 60 adapted to store the optical signals received, and to the compare.
  • a comparison can be an arithmetic combination of two images, for example an image subtraction.
  • the computing means 60 are adapted to establish a value of said comparison. This value is, for example, the integral of all or part of the image obtained from said subtraction.
  • calculation means 60 for example a PC type computer, allow the storage of data, the post-processing and the analysis of the images produced. Images can be scanned and analyzed in real time.
  • the contour of the sample 2 can be detected in post-processing using an image processing software, for example by frequency analysis by applying a high-pass spatial filter to the received image.
  • Each optical signal may represent the shape and / or position of the sample 2. It may be an image whose digital processing generates a matrix representing the spatial distribution of the light intensity received in the plane of the image. received image. It can also be a scalar like the average intensity of the received image. It can also be the determination of the length of the outline of the drop present on the image.
  • the comparison of two of these signals can be an arithmetic combination to compare them. This is for example a subtraction or a ratio. In general, the comparison results in a numerical value reflecting a variation of the compared optical signals.
  • the optical signal is an image, the digitization of which results in a matrix of the spatial distribution of the intensity of the image received, comprising the contour of the sample 2, the latter being extractable by means of known methods of the art man, for example a filter passes high.
  • the identification device also comprises, connected to the calculation means 60, identification means 70 of the state, or thermodynamic phase, of the fluid sample.
  • These identification means 70 are adapted to calculate a difference between several optical signals, then to identify the state of said sample 2 as gaseous when said difference is less than or equal to a predetermined threshold difference.
  • These identification means 70 thus allow the storage of said optical signals, the calculation of the difference between these signals and the identification of the gaseous or conductive liquid phase of the fluid sample 2 as a function of the value of this difference.
  • the matrixes of the distribution of the intensity in the plane of the image for two different images of the fluid sample 2 can be subtracted from each other.
  • the lower and upper substrates 20 are preferably made of transparent material, for example glass or polycarbonate.
  • the lower substrate 10 may be made of a different material than the upper substrate 20: for example, the lower substrate 10 may be silicon whereas the upper substrate 20 may be made of glass. This configuration corresponds to that of the examples presented in the following description.
  • Spacers allow the two substrates 10, 20 to be spaced apart. They are preferably made of a photo-imageable dry film of the Ordyl type.
  • the spacing between the lower substrate 10 and the upper substrate 20 is typically between ⁇ and 500 ⁇ , and preferably between 50 ⁇ and ⁇ .
  • the electrodes 12, the counter electrode 22, and the detection electrode 15 are made by depositing a material, preferably a transparent material, for example ITO, on the substrate 10.
  • This conductive layer can be pulverized or made in sol-gel process. It is then etched in a suitable pattern, for example by wet etching.
  • the thickness of the electrodes 12, 15 is between 10 nm and ⁇ ⁇ m, preferably 300 nm.
  • the electrodes are preferably square with a side whose length is between a few micrometers to a few millimeters, preferably between 50 ⁇ and 1mm.
  • the surface of the electrodes depends on the size of the drops to be transported.
  • the spacing between electrodes neighboring can be preferentially between lym and 10ym.
  • the dielectric layer 14 is made by depositing a layer of silicon nitride S1 3 N 4 , of thickness, generally between 100 nm and ⁇ , preferably 600 nm.
  • a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process is preferred to the low pressure vapor deposition (LPCVD) process for thermal reasons. Indeed, the temperature of the substrate is only brought between 150 ° C and 350 ° C (depending on the desired properties) against 750 ° C for LPCVD deposit.
  • the hydrophobic layers 13, 23 are obtained by vacuum evaporation deposition of Teflon or SiOC, or of parylene, for example, on the lower and upper substrates. These layers make it possible in particular to reduce or even to avoid the effects of hysteresis of the wetting angle.
  • Their thickness generally between 100 nm and 5 ⁇ m, is preferably lym.
  • a liquid introduction and / or evacuation orifice may be provided within one or the other of the substrates, and have a diameter of between 100 ⁇ m and 2 mm.
  • the liquid 3 surrounding the fluid sample 2 is dielectric and immiscible with the fluid of said sample. It may be, for example, a mineral oil or silicone.
  • the fluid sample 2 can have a volume of between 0.1 nanolitre and 10 microliter.
  • the operation of the device for identifying the phase of the fluid sample according to the first embodiment of the invention is as follows, with reference to FIGS. 3A to 3C, and to the flowchart shown in FIG. 4.
  • a fluid sample 2 is disposed on the electrode array 12 (FIG. 3A).
  • the fluid sample 2 is thus positioned in the detection zone 4.
  • a first light signal from said detection zone 4 is received, for example the image of the detection zone.
  • the characteristic can here be characteristic of the shape of the sample 2, and be the matrix of the distribution of the intensity of the optical signal in the plane of the image.
  • the matrix in particular filtered by a spatial filter passes high, thus gives the contour of the fluid sample.
  • a bias voltage U is applied between the sensing electrode 15 and the counter electrode 22, which results in the generation of an electric field from said sensing electrode 15.
  • This electric field is able to modify by electrowetting the position and / or the shape of said sample in the case where it is in the electrically conductive liquid state.
  • FIG. 3C shows the deformation of the fluid sample 2 during the generation of the electric field, which indicates that the sample 2 is a drop of electrically conductive liquid.
  • the droplet of conductive liquid, dielectric layer and detection electrode acts as a capacitance.
  • the drop 2 is polarized by its contact with the counter-electrode 22 via the second hydrophobic layer 23.
  • the counter-electrode 22 may not be present, the drop then having a free potential. In these two cases, a capacitance is formed between the conductive drop 2 and the detection electrode 15, separated from one another by the dielectric layer 14.
  • the fluid sample when it is a gas bubble, it can not form a capacitance with the detection electrode and the dielectric layer. Also, the applied electric field can not cause the deformation and / or displacement of a gas bubble.
  • the polarization voltage U may be continuous or alternating.
  • the first liquid behaves like a conductor insofar as the frequency of the bias voltage is substantially lower than a cutoff frequency.
  • the latter which depends in particular on the electrical conductivity of the liquid, is typically of the order of a few tens of kilohertz (see for example the article by Mugele and Baret entitled “Electrowetting: from basics to applications", J. Phys. Matter, 17 (2005), R705-R774).
  • the frequency is preferably substantially greater than the frequency corresponding to the hydrodynamic response time of the liquid, which depends on the physical parameters such as the surface tension, the viscosity or the distance between the two walls, and which is of the order of a few tens or hundreds of Hertz.
  • the response of the liquid then depends on the rms value of the voltage, since the contact angle depends on the voltage U 2 , according to the previous relationship.
  • a second light signal is received from said detection zone 4, here the image of the detection zone 4.
  • the first and second light signals are then compared, for example by subtracting the two images obtained, or by comparing their respective characteristics, for example the length of their respective contours.
  • the state of said sample 2 is identified as gaseous based on this comparison, for example by analyzing the resulting image of the subtraction lasite, or the difference between the two defined contours.
  • the fluid sample 2 has been deformed by the electric field and has spread more widely over the detection electrode 15.
  • the two images taken from sample 2, before and during the generation of the electric field, are different and the difference between them, for example the norm of the difference between the two images, is greater than a predetermined threshold difference.
  • the threshold difference is here substantially zero, with measurement errors.
  • the fluid sample 2 observed in the detection zone 4 is identified as a drop of conductive liquid.
  • the sensing electrode 15 may have a suitable shape with fingers projecting in the plane.
  • a conductive liquid drop 2 located on such an unactivated electrode 15 has a substantially circular shape.
  • the sample 2 is identified as being a drop of conductive liquid.
  • the fluid sample 2 is brought by the positioning means to the detection zone (FIG. 6A), so that the detection electrode 15 is partially covered by sample 2 ( Figure 6B).
  • the detection zone 4 is delimited in dotted lines in FIGS. 6A to 6C.
  • the fluid sample 2 covers only a small part of the detection electrode 15.
  • the generation of the electric field causes the drop to move until it is positioned substantially in the center of the detection electrode 15 (FIG. 6C).
  • the identification method is similar to that described with reference to Figures 3A-3C and Figure 4.
  • the contour of the fluid sample 2 is deduced and the average position is calculated.
  • sample 2 is then calculated before and during the generation of the electric field. If the difference is less than or equal to a predetermined threshold difference, sample 2 is identified as being a gas bubble.
  • the fluid sample 2 has been moved on the detection electrode 15, so that the positional deviation is large and greater than the threshold difference.
  • Sample 2 is identified as a drop of conductive liquid.
  • the method for identifying the gaseous or liquid electrically conductive phase of the fluid sample 2 can also be realized while the sample is moving continuously along a fluid path.
  • Figures 7A to 7C illustrate such a variation of the first embodiment.
  • the fluid sample 2 is brought by the positioning means to the detection zone 4 (FIG. 7A), so that the detection electrode 15 is partially covered by the sample (FIG. 7B).
  • Sample 2 is in continuous displacement under the action of the positioning means, in direction X.
  • the generation of the electric field induces an additional displacement force of the drop 2 which is added to the continuous displacement force already present, until the The sample is positioned substantially in the center of the detection electrode 15 (FIG. 7C).
  • the identification method is similar to that described with reference to Figures 3A-3C and Figure 4.
  • the contour of the fluid sample 2 is deduced and the average position is calculated.
  • the difference in position of the sample 2 is then calculated before and during the generation of the electric field.
  • the difference is more precisely calculated between the position of the sample 2 during the generation of the electric field, and the position 2 'that would have sample 2 if the electric field was not applied.
  • sample 2 is identified as being a gas bubble.
  • Fig. 7C the fluid sample 2 has been accelerated by electrowetting, so that the positional deviation is large relative to the dashed position, and greater than the threshold difference.
  • Sample 2 is identified as a drop of conductive liquid.
  • the device and the method for identifying the phase of the sample are distinguished from the first embodiment essentially in that the sample is possibly deformed and / or displaced by dielectrophoresis.
  • Figure 8 shows a flowchart for implementing the identification method according to this second embodiment.
  • the fluid sample 2 can be identified as either a gas bubble or a drop of a dielectric liquid.
  • a drop may be, for illustrative purposes, water, a serum, a biological fluid comprising analytes.
  • the gas bubble can be a bubble of air.
  • the fluid sample 2 is surrounded by a fluid 3, preferably gaseous, and for example air, immiscible with the fluid of the sample.
  • dielectrophoresis or liquid dielectrophoresis (LDEP in English, for “Liquid Dielectrophoresis” is meant the application of an electric force on an electrically insulating liquid, here the liquid of the drop, the force being generated by an oscillating electric field not uniform.
  • the molecules of the liquid acquire a non-zero dipole and become polarized.
  • the detection electrode 15 is activated, this causes an evolution of the morphology of the drop, in other words a deformation.
  • two adjacent electrodes are successively activated, a drop of dielectric liquid moves from one electrode to the other.
  • the bias voltage U applied to the detection electrode is an alternating voltage whose frequency is between for example, a few tens of kilohertz and a few megahertz, for example between 15 kHz and 10 MHz, and between 15 kHz and 100 kHz, and a preferential voltage of a few RMS volts (effective voltage) to a few hundred volts RMS.
  • the fluid sample 2 is a drop of a dielectric liquid
  • the sample is deformed and / or displaced. From the measurement of the images of the sample in the detection zone 4 before and during the generation of the electric field, values of the same characteristic of the shape and / or position of the sample are deduced.
  • Sample 2 is identified as a gas bubble and not a drop of a polar liquid when the calculated deviation is less than or equal to a predetermined threshold deviation.

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Abstract

L'invention porte sur un procédé d'identification par électromouillage ou diélectrophorèse de la phase liquide ou gazeuse d'un échantillon fluide (2)situé dans un système microfluidique (1) de type confiné. Selon l'invention, on compare deux signaux lumineux provenant de l'échantillon fluide (2) avant et pendant la génération d'un champ électrique adapté à modifier la forme et/ou la position dudit échantillon (2) dans le cas où il est formé d'un liquide électriquement conducteur ou polaire.

Description

PROCÉDÉ D'IDENTIFICATION DE LA PHASE D'UN ÉCHANTILLON FLUIDE DANS UN DISPOSITIF MICROFLUIDIQUE.
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général de la microfluidique et concerne un procédé et un dispositif d'identification par électromouillage ou diélectrophorèse de l'état liquide ou gazeux d'un échantillon fluide situé dans un système microfluidique de type fermé ou confiné.
L' invention permet ainsi de détecter un corps étranger non désiré au sein du système microfluidique .
Par état liquide ou gazeux de l'échantillon fluide, on entend la phase thermodynamique dudit échantillon .
L'échantillon fluide peut donc se présenter sous la forme d'une goutte de liquide ou d'une bulle de gaz, et est situé entre deux parois du microsystème et entouré d'un liquide non miscible avec lui.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans de nombreux domaines, il est fréquent de chercher à analyser des échantillons liquides, notamment dans le but de connaître la concentration en analytes qu'ils peuvent éventuellement contenir. C'est le cas notamment du domaine de l'analyse biologique, du diagnostic, du suivi agro-alimentaire ou de la surveillance de l'environnement.
Pour cela, des systèmes microfluidiques du type laboratoire sur puce (« Lab-on-Chip » en anglais) peuvent être utilisés, qui permettent de manipuler efficacement de faibles volumes de liquide.
Il est ainsi possible de réaliser sur un même support d'un système microfluidique toutes les étapes d'analyse d'un échantillon liquide en un temps relativement court et en utilisant de petits volumes d'échantillon et de réactif.
Dans le but de contrôler précisément le déplacement de l'échantillon liquide, et d'éviter tout phénomène d' évaporation non désiré, le système microfluidique est avantageusement de type fermé ou confiné .
L'échantillon liquide est alors situé ou confiné entre deux parois parallèles et entouré d'un liquide non miscible avec le liquide de l'échantillon.
Par échantillon confiné entre deux parois, on entend un échantillon présentant une épaisseur, suivant la distance entre les parois, inférieure ou égale à son diamètre. L'échantillon peut être, ou non, au contact desdites parois.
Les systèmes microfluidiques de type fermé ou confiné se distinguent ainsi des systèmes microfluidiques dits « ouverts » dans lesquels l'échantillon liquide repose sur un seul substrat et est entouré de gaz et non de liquide. Dans de tels systèmes microfluidiques fermés ou ouverts, le suivi de l'échantillon liquide au cours de son déplacement est généralement réalisé par l'observation optique de l'échantillon liquide, par exemple à l'aide d'une caméra éventuellement connectée à une unité de traitement du signal.
La Figure 1 illustre un exemple de système microfluidique 1 de type fermé ou confiné tel que présenté dans l'article de Shin et Lee intitulé « Machine vision for digital microfluidics », Rev. Sci. Instrum., 2010, 81, 014302.
Une goutte 2 d'un liquide électriquement conducteur est confinée entre deux parois 11, 21 parallèles. Ces parois 11, 21 sont formées par les surfaces d'un substrat inférieur 10 et d'un substrat supérieur 20 disposés en vis-à-vis.
Le substrat inférieur 10 est muni d'une matrice d'électrodes 12 activables de manière indépendante, recouverte d'une couche diélectrique 14 et d'une première couche hydrophobe 13.
Le substrat supérieur 20 comprend une contre- électrode 22 recouverte par une seconde couche hydrophobe 23.
La goutte 2 est située entre les deux parois 11, 21 et est au contact des deux couches hydrophobes 13, 23.
La goutte 2 est, par ailleurs, entourée d'un liquide 3 diélectrique et non miscible avec elle, par exemple de l'huile silicone.
Par 1 ' actionnement successif des électrodes 12, on déplace la goutte 2 par électromouillage entre les deux substrats 10, 20, c'est-à-dire en modifiant l'angle de mouillage de la goutte 2 du fait de l'application d'un champ électrique approprié entre la matrice d'électrodes 12 et la contre-électrode 22.
Dans le but d'automatiser la manipulation des gouttes, le système microfluidique 1 illustré sur la Figure 1 comprend une unité de contrôle permettant à la fois de détecter la présence d'une goutte et d'en assurer le déplacement.
L'unité de contrôle comprend un moyen de visualisation 50 de la goutte, par exemple un microscope optique du type à lumière directe. La visualisation est effectuée au-travers du substrat supérieur 20, celui-ci étant alors transparent.
Le microscope 50 est connecté à des moyens de gestion des prises de vues et de stockage de données, pour post-traiter et analyser les séquences d' images réalisées, ici un ordinateur 60 de type PC. Les images peuvent ainsi être numérisées en temps réel et le contour de la goutte est détecté en post-traitement à l'aide d'un logiciel de traitement d'images.
L'ordinateur 60 comprend des moyens de commande, connectés aux moyens de commutation du réseau d'électrodes, permettant de commander ou d'activer les électrodes 12 une à une.
D' autres exemples de systèmes microfluidiques de type fermé ou confiné sont présentés dans l'article de Pollack et al. intitulé « Electrowetting-based actuation of droplets for integrated microfluics », Lab Chip, 2002, 2 (1), 96-101. Cependant, le système microfluidique peut comporter des corps étrangers non désirés, notamment des corps présentant une phase différente de celle des gouttes à manipuler, qui ne peuvent être identifiés comme tels par l'unité de contrôle.
De tels corps étrangers peuvent en effet présenter des propriétés optiques similaires à celles des gouttes, de sorte que l'unité de contrôle ne peut identifier si l'échantillon observé est une goutte de liquide à déplacer ou une bulle de gaz.
Cette incapacité de l'unité de contrôle à identifier la phase de l'échantillon observé peut provoquer le blocage du processus de manipulation des gouttes, dans la mesure où une bulle de gaz environnée d'un liquide diélectrique ne peut être déplacée par électromouillage .
De plus, la présence d'une bulle de gaz dans un système microfluidique peut perturber, par sa présence, le déplacement des gouttes de liquide avoisinantes .
Enfin, il est fréquent de réaliser des variations de température dans le système microfluidique lors de l'analyse biologique et/ou chimique des gouttes de liquide. Une bulle de gaz non désirée va se dilater et perturber l'analyse des gouttes de liquide.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
L' invention a pour but un procédé de détection de la présence d'une bulle de gaz dans un système microfluidique de type fermé ou confiné, cette détection étant réalisée en comparant au moins deux signaux optiques. Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé d'identification de l'état liquide électriquement conducteur ou gazeux d'un échantillon fluide situé entre deux parois d'un système microfluidique et entouré d'un liquide diélectrique non miscible. Selon l'invention, on réalise les étapes suivantes :
on positionne ledit échantillon dans une zone de détection comportant une électrode de détection située au niveau de l'une desdites parois, de manière à ce que ledit échantillon recouvre partiellement ladite électrode de détection ;
on reçoit un premier signal optique issu de ladite zone de détection ;
- on génère, à partir de ladite électrode de détection, un champ électrique apte à modifier par électromouillage la position et/ou la forme dudit échantillon dans le cas où il est dans l'état liquide électriquement conducteur ;
- on reçoit, pendant ladite génération du champ électrique, un deuxième signal optique issu de ladite zone de détection ;
on identifie l'état dudit échantillon fluide comme étant gazeux à partir desdits premier et deuxième signaux optiques.
Cette identification est effectuée en comparant lesdits premier et deuxième signaux optiques. Lorsque l'échantillon fluide est gazeux, lesdits premier et deuxième signaux sont similaires. Lorsque la comparaison est une soustraction, on détermine que l'échantillon fluide est gazeux lorsque la valeur de ladite soustraction est inférieure à un certain seuil.
Le champ électrique généré est avantageusement continu ou alternatif. Il présente dans ce cas une fréquence sensiblement inférieure ou égale à 10kHz.
L' invention porte également sur un procédé d'identification de l'état liquide diélectrique ou gazeux d'un échantillon fluide situé entre deux parois d'un système microfluidique et entouré d'un liquide non polaire et non miscible. Selon l'invention, on réalise les étapes suivantes :
on positionne ledit échantillon dans une zone de détection comportant une électrode de détection située au niveau de l'une desdites parois, de manière à ce que ledit échantillon recouvre partiellement ladite électrode de détection ;
on reçoit un premier signal optique issu de ladite zone de détection ;
on génère, à partir de ladite électrode de détection, un champ électrique apte à modifier par diélectrophorèse la position et/ou la forme dudit échantillon dans le cas où il est dans l'état liquide polaire ;
on reçoit, pendant ladite génération du champ électrique, un deuxième signal optique issu de ladite zone de détection ;
on identifie l'état dudit échantillon fluide comme étant gazeux à partir desdits premier et deuxième signaux optiques.
Cette identification est effectuée en comparant lesdits premier et deuxième signaux optiques. Lorsque l'échantillon fluide est gazeux, lesdits premier et deuxième signaux sont similaires. Lorsque la comparaison est une soustraction, on détermine que l'échantillon fluide est gazeux lorsque l'image résultant de cette comparaison a une intégrale inférieure à un certain seuil.
Avantageusement, le champ électrique présente une fréquence strictement supérieure à 10kHz.
Avantageusement, lesdits premier et second signaux optiques sont des images de ladite zone de détection .
Lors de la comparaison, on peut appliquer un filtre spatial passe haut aux images reçues pour extraire le contour de l'échantillon.
Avantageusement, on détermine une valeur associée à la comparaison du premier signal optique et du deuxième signal optique. Cette valeur peut être déterminée à partir d'une combinaison desdits signaux optiques, par exemple d'une soustraction. Dans ce dernier cas, la valeur associée à la comparaison est l'intégrale de l'intensité du signal optique formé par la soustraction. Ainsi, lorsque les premier et deuxième signaux optiques sont des images, ladite comparaison peut être une soustraction de ces deux images, et la valeur associée à la comparaison peut être l'intégrale de l'image formée par cette soustraction.
Ledit échantillon fluide peut être statique, ou en mouvement continu sous l'action de moyens de positionnement, lors desdites étapes de réception des signaux lumineux. Avant l'étape de génération du champ électrique, ledit échantillon fluide recouvre partiellement ladite électrode de détection. Le taux de recouvrement peut être compris entre 1% à 99%, par exemple, 5%, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, ou 90%.
L' invention porte également sur un dispositif d'identification de l'état liquide électriquement conducteur ou gazeux d'un échantillon fluide situé entre deux parois d'un système microfluidique et entouré d'un liquide diélectrique non miscible. Selon l'invention, le dispositif comporte :
une zone de détection comportant une électrode de détection située au niveau de l'une desdites parois ;
- des moyens de positionnement dudit échantillon fluide dans ladite zone de détection, de manière à ce que ledit échantillon recouvre partiellement ladite électrode de détection ;
des moyens de génération, à partir de ladite électrode de détection, d'un champ électrique apte à modifier par électromouillage la position et/ou la forme dudit échantillon dans le cas où il est dans l'état liquide électriquement conducteur ;
des moyens de réception optique pour recevoir un premier signal optique issu de ladite zone de détection avant ladite génération du champ électrique et un second signal optique issu de ladite zone de détection pendant ladite génération du champ électrique ; des moyens de calcul pour comparer lesdits premier et second signaux optiques préalablement reçus ;
des moyens d'identification de l'état de l'échantillon fluide aptes à identifier l'état dudit échantillon comme étant gazeux en fonction de ladite comparaison .
L' invention porte enfin sur un dispositif d'identification de l'état liquide diélectrique ou gazeux d'un échantillon fluide situé entre deux parois d'un système microfluidique et entouré d'un liquide non polaire et non miscible. Selon l'invention, le dispositif comporte :
une zone de détection comportant une électrode de détection située au niveau de l'une desdites parois ;
des moyens de positionnement dudit échantillon fluide dans ladite zone de détection, de manière à ce que ledit échantillon recouvre partiellement ladite électrode de détection ;
des moyens de génération, à partir de ladite électrode de détection, d'un champ électrique apte à modifier par diélectrophorèse la position et/ou la forme dudit échantillon dans le cas où il est dans l'état liquide polaire ;
des moyens de réception optique pour recevoir un premier signal optique issu de ladite zone de détection avant ladite génération du champ électrique et un second signal optique issu de ladite zone de détection pendant ladite génération du champ électrique ; des moyens de calcul pour comparer lesdits premier et second signaux lumineux préalablement reçus ;
des moyens d'identification de l'état de l'échantillon fluide en fonction de ladite comparaison.
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 :
La Figure 1, déjà décrite, est une vue schématique d'un système microfluidique de type fermé ou confiné, comportant une unité de contrôle de déplacement des gouttes, selon un exemple de l'art antérieur ;
La Figure 2 est une vue schématique d'un système microfluidique de type fermé ou confiné, comportant un dispositif d'identification de la phase d'un échantillon fluide selon l'invention ;
Les Figures 3A, 3B et 3C sont des vues schématiques de dessus d'un réseau d'électrodes comportant une électrode de détection, pour trois instants du procédé d' identification selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
La Figure 4 est un organigramme de mise en œuvre du procédé d' identification selon le premier mode de réalisation de l'invention ; La Figure 5A est une vue de dessus d'une électrode de détection d'un système microfluidique selon un mode de réalisation de l'invention ;
Les Figures 5B et 5C sont des vues de dessus de l'électrode de détection illustrée sur la Figure 2, pour deux instants du procédé d'identification selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
Les Figures 6A, 6B et 6C sont des vues de dessus d'un réseau d'électrodes comportant une électrode de détection, pour trois instants du procédé d' identification selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention ;
Les Figures 7A, 7B et 7C sont des vues de dessus d'un réseau d'électrodes comportant une électrode de détection, pour trois instants du procédé d' identification selon une autre variante du premier mode de réalisation de l'invention ;
La Figure 8 est un organigramme de mise en œuvre du procédé d' identification selon le second mode de réalisation de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ D ' UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ
Sur la Figure 2 est représenté un système microfluidique 1 comportant un dispositif d'identification selon le premier mode de réalisation de l'invention.
Le dispositif permet d'identifier l'état liquide électriquement conducteur ou gazeux d'un échantillon fluide 2 présent dans le microsystème 1 par électromouillage, plus précisément par électromouillage sur diélectrique (EWOD en anglais, pour
« Electrowetting on dielectric ») .
L'échantillon fluide 2 peut être une goutte d'un liquide électriquement conducteur, par exemple de l'eau, un sérum physiologique, voire un liquide biologique comportant des analytes, ou être une bulle de gaz, par exemple une bulle d'air.
Selon ce mode de réalisation, le système microfluidique 1 permet de déplacer des gouttes de liquide par électromouillage. Le mode de déplacement par électromouillage est décrit en détail plus loin.
Il est à noter que les échelles ne sont pas respectées, pour privilégier la clarté du dessin.
Dans la description qui va suivre, les verbes « recouvrir », « être situé sur » et « être disposé sur » n' impliquent pas ici nécessairement de contact direct. Ainsi, un matériau ou un liquide peut être disposé sur une paroi sans qu'il y ait de contact direct entre le matériau et la paroi. Un matériau intermédiaire peut ainsi être présent. Le contact direct est réalisé lorsque le qualificatif « directement » est utilisé avec les verbes précédemment cités.
Dans toute la description qui va suivre, par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (Χ,Υ,Ζ) présenté sur la Figure 2. Le plan (X,Y) est parallèle auxdites parois et la direction Z est de manière orthogonale aux parois.
Les termes « inférieur » et « supérieur » sont ici à comprendre en termes d'orientation suivant la direction Z dudit repère. Le système microfluidique 1 selon l'invention comprend deux parois 11, 21 entre lesquelles est situé, voire confiné, un échantillon fluide 2.
L'échantillon fluide 2 est dit confiné lorsqu'il présente une épaisseur sensiblement supérieure à son diamètre. L'épaisseur de l'échantillon est ici définie par la distance entre les deux parois 11, 21. L'échantillon 2 est ici au contact des deux parois 11, 21 simultanément.
L'échantillon fluide 2 est environné d'un liquide
3 diélectrique et non miscible avec le fluide de l'échantillon 2. L'échantillon fluide 2 est délimité par une interface « fluide / liquide environnant ».
L'espace délimité par lesdites parois 11, 21 est ainsi rempli du liquide 3 environnant et comprend l'échantillon fluide 2.
Le substrat inférieur 10 est muni d'une matrice d'électrodes 12 activables de manière indépendante, recouverte d'une couche diélectrique 14 et d'une première couche hydrophobe 13. La première paroi 11 est formée par la surface de la première couche hydrophobe 13.
Le substrat supérieur 20 comprend une contre- électrode 22 recouverte par une seconde couche hydrophobe 23.
La surface libre de la seconde couche hydrophobe 23 forme la seconde paroi 21 parmi les deux parois 11, 21 du système microfluidique 1.
Le caractère hydrophobe des couches hydrophobes 13, 23 signifie que l'échantillon 2 présente au repos, c'est-à-dire lorsque l'électrode 12 située en-dessous de l'échantillon n'est pas activée, un angle de contact, sur ces couches, supérieur à 90°.
Le système microfluidique 1 comprend un dispositif d' identification par électromouillage de l'état gazeux ou liquide conducteur de l'échantillon fluide 2.
Comme le montrent les Figures 3A à 3C, le dispositif comprend une électrode de détection 15 parmi les électrodes 12 de ladite matrice d'électrode. Elle est située dans une zone dite de détection 4.
La zone de détection 4 comprend l'espace situé entre les deux parois 11, 21, au sein duquel est disposée l'électrode de détection 15.
Le dispositif d' identification comprend des moyens de positionnement (non représentés) de l'échantillon fluide 2 aptes à positionner ledit échantillon 2 dans la zone de détection 4, de manière à ce que ledit échantillon 2 recouvre partiellement ladite électrode de détection 15.
Les moyens de positionnement peuvent être des moyens de pompage, tels qu'une pompe péristaltique Instech P625/66.133, et sont aptes à déplacer un échantillon liquide ou gazeux, tel qu'une goutte de liquide ou un bulle de gaz.
Ledit échantillon 2 recouvre partiellement l'électrode de détection 15, de sorte qu'une partie de son interface avec le liquide environnant 3 est située en regard de l'électrode de détection 15 et séparée de celle-ci par la couche diélectrique 14. Le dispositif d' identification comprend des moyens de génération 40 d'un champ électrique à partir de ladite électrode de détection.
Le champ électrique est apte à modifier, par électromouillage, la position et/ou la forme dudit échantillon 2 dans le cas où il est dans l'état liquide électriquement conducteur, c'est-à-dire une goutte liquide électriquement conductrice, et non pas un échantillon gazeux tel qu'une bulle de gaz. Cette propriété d'agir sur une goutte liquide conductrice et non pas une bulle de gaz est expliquée en détail plus loin .
Ces moyens de génération 40 d'un champ électrique comportent un générateur de tension 41 connecté à l'électrode de détection 15 et à la contre-électrode 22. La différence de potentiel appliquée entre l'électrode de détection 15 et la contre-électrode 22 présente une intensité et une fréquence permettant d'agir par électromouillage sur une goutte d'un liquide conducteur et non pas sur une bulle de gaz. Par agir, on entend déplacer et/ou déformer.
Le dispositif d' identification comprend des moyens de réception optique 50 pour recevoir des signaux lumineux, ou signaux optiques, issus de ladite zone de détection, par exemple un microscope optique du type à lumière directe. La visualisation est de préférence effectuée au-travers du substrat supérieur 20, celui-ci étant alors transparent.
Les moyens de réception optique, par exemple le microscope 50, est connecté à des moyens de calcul 60 adaptés à stocker les signaux optiques reçus, et à les comparer. Lorsque ces signaux sont des images, une comparaison peut être une combinaison arithmétique de deux images, par exemple une soustraction d'image. Les moyens de calcul 60 sont adaptés pour établir une valeur de ladite comparaison. Cette valeur est, par exemple, l'intégrale de tout ou partie de l'image obtenue à partir de ladite soustraction.
Ces moyens de calcul 60, par exemple un ordinateur de type PC, permettent le stockage de données, le post-traitement et l'analyse des images réalisées. Les images peuvent ainsi être numérisées et analysées en temps réel.
Le contour de l'échantillon 2 peut être détecté en post-traitement à l'aide d'un logiciel de traitement d'images, par exemple par analyse fréquentielle en appliquant un filtre spatial passe haut à l'image reçue .
Chaque signal optique peut représenter la forme et/ou la position de l'échantillon 2. Il peut s'agir d'une image, dont le traitement numérique génère une matrice représentant la répartition spatiale de l'intensité lumineuse reçue dans le plan de l'image reçue. Il peut également s'agir d'un scalaire comme l'intensité moyenne de l'image reçue. Il peut également s'agir de la détermination de la longueur du contour de la goutte présente sur l'image. La comparaison de deux de ces signaux peut être une combinaison arithmétique destinée à les comparer. Il s'agit par exemple d'une soustraction ou d'un ratio. D'une façon générale, la comparaison aboutit à une valeur numérique traduisant une variation des signaux optiques comparés. Avantageusement, le signal optique est une image, dont la numérisation aboutit à une matrice de la répartition spatiale de l'intensité de l'image reçue, comprenant le contour de l'échantillon 2, ce dernier pouvant être extrait aux moyens de méthodes connues de l'homme d'art, par exemple un filtre passe haut.
Le dispositif d' identification comprend également, connectés aux moyens de calcul 60, des moyens d'identification 70 de l'état, ou phase thermodynamique, de l'échantillon fluide.
Ces moyens d'identification 70 sont adaptés à calculer un écart entre plusieurs signaux optiques, puis à identifier l'état dudit échantillon 2 comme étant gazeux lorsque ledit écart est inférieur ou égal à un écart seuil prédéterminé.
Ces moyens d'identification 70 permettent donc le stockage desdits signaux optiques, le calcul de l'écart entre ces signaux et l'identification de la phase gazeuse ou liquide conductrice de l'échantillon fluide 2 en fonction de la valeur de cet écart.
A titre illustratif, les matrices de la répartition de l'intensité dans le plan de l'image pour deux images différentes de l'échantillon fluide 2 peuvent être soustraites l'une de l'autre.
On obtient ainsi une image résultant de cette soustraction, dont l'intégrale quantifie l'écart entre les deux matrices. Lorsque cet écart est inférieur ou égal à un écart seuil prédéterminé, par exemple ici une matrice sensiblement nulle, on en déduit que l'échantillon fluide 2 n'a pas été déformé ou déplacé entre les deux images. On identifie alors la phase de l'échantillon 2 comme étant du gaz.
Les substrats inférieur 10 et supérieur 20 sont réalisés de préférence en matériau transparent, par exemple en verre ou en polycarbonate . Le substrat inférieur 10 peut être réalisé dans un matériau différent que le substrat supérieur 20 : par exemple, le substrat inférieur 10 peut être en silicium alors que le substrat supérieur 20 peut être en verre. Cette configuration correspond à celle des exemples présentés dans la suite de la description.
Des cales d'espacement permettent d'espacer les deux substrats 10, 20. Elles sont préférentiellement réalisées en film sec photo-imageable de type Ordyl .
L'espacement entre le substrat inférieur 10 et le substrat supérieur 20 est typiquement compris entre ΙΟμιη et 500μιη, et de préférence entre 50μη et ΙΟΟμιη.
Les électrodes 12, la contre-électrode 22, et l'électrode de détection 15 sont réalisées par dépôt d'un matériau, de préférence transparent, par exemple de l'ITO, sur le substrat 10. Cette couche conductrice peut être pulvérisée ou réalisée en procédé sol-gel. Elle est ensuite gravée suivant un motif approprié, par exemple par gravure humide.
L'épaisseur des électrodes 12, 15 est comprise entre lOnm et Ιμιη, de préférence 300nm. Les électrodes sont de préférence carrées avec un côté dont la longueur est comprise entre quelques micromètres à quelques millimètres, de préférence entre 50μη et 1mm. La surface des électrodes dépend de la taille des gouttes à transporter. L'espacement entre électrodes voisines peut être préférentiellement compris entre lym et 10ym.
La couche diélectrique 14 est réalisée par dépôt d'une couche de nitrure de silicium S13N4, d'épaisseur, de manière générale comprise entre lOOnm et Ιμιη, de préférence de 600nm. 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.
Les couches hydrophobes 13, 23 sont obtenues par dépôt par évaporation sous vide de Téflon ou de SiOC, ou de parylène, par exemple, sur les substrats inférieur et supérieur. Ces couches permettent notamment de diminuer voire d'éviter les effets d'hystérésis de l'angle de mouillage. Leur épaisseur, d'une manière générale comprise entre lOOnm et 5ym, est de préférence de lym.
Un orifice d'introduction et/ou d'évacuation de liquide peut être prévu au sein de l'un ou l'autre des substrats, et avoir un diamètre compris entre lOOym et 2mm.
Le liquide 3 environnant l'échantillon fluide 2 est diélectrique et non miscible avec le fluide dudit échantillon. Il peut être, par exemple, une huile minérale ou silicone.
L'échantillon fluide 2 peut avoir un volume compris entre 0,1 nanolitre et 10 microlitre. Le fonctionnement du dispositif d' identification de la phase de l'échantillon fluide selon le premier mode de réalisation de l'invention est le suivant, en référence aux Figures 3A à 3C, et à l'organigramme représenté sur la Figure 4.
Un échantillon fluide 2 est disposé sur le réseau d'électrodes 12 (Figure 3A) .
Il est amené par les moyens de positionnement sur l'électrode de détection 15 (Figure 3B) , de sorte qu'il recouvre partiellement celle-ci.
L'échantillon fluide 2 est ainsi positionné dans la zone de détection 4.
On reçoit un premier signal lumineux issu de ladite zone de détection 4, par exemple l'image de la zone de détection.
On peut déduire de cette première image une première valeur d'une caractéristique de la position et/ou de la forme dudit échantillon 2 au niveau de ladite électrode de détection 15, cette caractéristique pouvant être par exemple la longueur du contour de la goutte dans cette zone de détection.
La caractéristique peut être ici caractéristique de la forme de l'échantillon 2, et être la matrice de la répartition de l'intensité du signal optique dans le plan de l'image. La matrice, notamment filtrée par un filtre spatial passe haut, donne ainsi le contour de l'échantillon fluide.
On applique une tension de polarisation U entre l'électrode de détection 15 et la contre-électrode 22, ce qui se traduit par la génération d'un champ électrique à partir de ladite électrode de détection 15. Ce champ électrique est apte à modifier par électromouillage la position et/ou la forme dudit échantillon dans le cas où il est dans l'état liquide électriquement conducteur.
La Figure 3C montre la déformation de l'échantillon fluide 2 lors de la génération du champ électrique, ce qui indique que l'échantillon 2 est une goutte de liquide électriquement conducteur.
Il est à noter qu'une bulle de gaz n'aurait pas été déformée et/ou déplacée par le champ électrique.
En effet, lorsque l'électrode de détection 15 est activée, l'ensemble goutte de liquide conducteur, couche diélectrique et électrode de détection agit comme une capacité.
II est rappelé que la goutte 2 est polarisée par son contact avec la contre-électrode 22 via la seconde couche hydrophobe 23. Cependant, la contre-électrode 22 peut ne pas être présente, la goutte présentant alors un potentiel libre. Dans ces deux cas, une capacité est formée entre la goutte conductrice 2 et l'électrode de détection 15, séparée l'une de l'autre par la couche diélectrique 14.
Comme indiqué dans 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 Θ de l'interface de la goutte s'exprime selon la relation : cos Q J) = cosO (0) + -^—U2
2ea où e est l'épaisseur de la couche diélectrique, sr la permittivité de cette couche et o la tension de surface de l'interface du premier liquide.
Il apparaît alors une pression électrostatique agissant sur l'interface, à proximité de la ligne de contact, comme l'explique l'article de Bavière et al. intitulé « Dynamics of droplet transport induced by electrowetting actuation », Microfluid Nanofluid, 4, 2008, 287-294. La goutte est alors déformée et s'étale de manière à recouvrir l'électrode de détection.
On comprend que, lorsque l'échantillon fluide est une bulle de gaz, celle-ci ne peut former une capacité avec l'électrode de détection et la couche diélectrique. Aussi, le champ électrique appliqué ne peut provoquer la déformation et/ou le déplacement d'une bulle de gaz.
Il est à noter que la tension de polarisation U peut être continue ou alternative. Lorsque la tension U est alternative, le premier 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. Cette dernière, qui dépend notamment de la conductivité électrique du liquide, 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. Phys . Condens . Matter, 17 (2005), R705-R774) . D'autre part, la fréquence est de préférence sensiblement supérieure à la fréquence correspondant au temps de réponse hydrodynamique du liquide, qui dépend des paramètres physiques comme la tension de surface, la viscosité ou la distance entre les deux parois, et qui est de l'ordre de quelques dizaines ou centaines de Hertz. La réponse du liquide dépend alors de la valeur efficace de la tension, puisque l'angle de contact dépend de la tension en U2, selon la relation précédente.
On reçoit, pendant ladite génération du champ électrique, un second signal lumineux issu de ladite zone de détection 4, ici l'image de la zone de détection 4.
On peut déduire de cette seconde image une seconde valeur de la même caractéristique de la forme dudit échantillon 2 au niveau de ladite électrode de détection 15.
On compare alors les premier et second signaux lumineux, par exemple en soustrayant les deux images obtenues, ou en comparant leurs caractéristiques respectives, par exemple la longueur de leurs contours respectifs .
On identifie l'état dudit échantillon 2 comme étant gazeux en fonction de cette comparaison, par exemple en analysant l'image résultante de lasite soustraction, ou la différence entre les deux contours déterminés .
Dans l'exemple des Figures 3A à 3C, l'échantillon fluide 2 a été déformé par le champ électrique et s'est davantage étalé sur l'électrode de détection 15.
Les deux images prises de l'échantillon 2, avant et pendant la génération du champ électrique, sont différentes et l'écart entre celles-ci, par exemple la norme de la différence entre les deux images, est supérieure à un écart seuil prédéterminé. L'écart seuil est ici sensiblement nul, aux erreurs de mesure près.
Aussi, l'échantillon fluide 2 observé dans la zone de détection 4 est identifié comme une goutte de liquide conducteur.
Comme le montre la Figure 5A, l'électrode de détection 15 peut présenter une forme adaptée comportant des doigts en projection dans le plan.
Une goutte liquide conductrice 2 située sur une telle électrode 15 (Figure 5B) non activée présente une forme sensiblement circulaire.
Lorsque le champ électrique est généré, la goutte 2 de liquide est déformée et présente un contour qui s'étale sur les doigts de l'électrode 15 (Figure 5C) .
Les contours de la goutte 2, avant et pendant la génération du champ électrique, sont donc aisément comparables et l'on peut calculer un écart entre les deux .
L'écart étant ici strictement supérieur à un écart seuil sensiblement nul, aux erreurs de mesure près, on identifie l'échantillon 2 comme étant une goutte de liquide conducteur.
En variante du mode de réalisation présenté précédemment dans lequel on détecte l'éventuelle déformation de l'échantillon fluide 2, on peut détecter le déplacement de celui-ci, comme l'illustrent les Figures 6A à 6C.
L'échantillon fluide 2 est amené par les moyens de positionnement jusqu'à la zone de détection (Figure 6A) , de sorte que l'électrode de détection 15 est partiellement recouverte par l'échantillon 2 (Figure 6B) .
La zone de détection 4 est délimitée en traits pointillés sur les Figures 6A à 6C.
II est à noter que l'échantillon fluide 2 ne recouvre qu'une faible partie de l'électrode de détection 15.
Dans le cas où l'échantillon fluide 2 est une goutte liquide conductrice, la génération du champ électrique provoque le déplacement de la goutte jusqu'à ce qu'elle soit positionnée sensiblement au centre de l'électrode de détection 15 (Figure 6C) .
Le procédé d' identification est similaire à celui décrit en référence aux Figures 3A à 3C et à la Figure 4.
A partir des signaux lumineux reçus de la zone de détection 4, on déduit le contour de l'échantillon fluide 2 et on en calcule la position moyenne.
On calcule ensuite l'écart de position de l'échantillon 2 avant et pendant la génération du champ électrique. Si l'écart est inférieur ou égal à un écart seuil prédéterminé, on identifie l'échantillon 2 comme étant une bulle de gaz.
Sur la Figure 6C, l'échantillon fluide 2 a été déplacé sur l'électrode de détection 15, de sorte que l'écart de position est important et supérieur à l'écart seuil. L'échantillon 2 est identifié comme une goutte de liquide conducteur.
Le procédé d' identification de la phase gazeuse ou liquide électriquement conducteur de l'échantillon fluide 2 peut également être réalisé alors que l'échantillon est en déplacement continu le long d'un chemin fluidique.
Les Figures 7A à 7C illustrent une telle variante du premier mode de réalisation.
L'échantillon fluide 2 est amené par les moyens de positionnement jusqu'à la zone de détection 4 (Figure 7A) , de sorte que l'électrode de détection 15 est partiellement recouverte par l'échantillon (Figure 7B) .
L'échantillon 2 est en déplacement continu sous l'action des moyens de positionnement, suivant la direction X.
Dans le cas où l'échantillon fluide 2 est une goutte liquide conductrice, la génération du champ électrique induit une force de déplacement supplémentaire de la goutte 2 qui s'ajoute à la force de déplacement continu déjà présente, jusqu'à ce que l'échantillon soit positionné sensiblement au centre de l'électrode de détection 15 (Figure 7C) .
Le procédé d'identification est similaire à celui décrit en référence aux Figures 3A à 3C et à la Figure 4.
A partir des signaux lumineux reçus de la zone de détection 4, on déduit le contour de l'échantillon fluide 2 et on en calcule la position moyenne.
On calcule ensuite l'écart de position de l'échantillon 2 avant et pendant la génération du champ électrique .
Ici, l'écart est plus précisément calculé entre la position de l'échantillon 2 pendant la génération du champ électrique, et la position 2' qu'aurait l'échantillon 2 si le champ électrique n'était pas appliqué .
Si l'écart est inférieur ou égal à un écart seuil prédéterminé, on identifie l'échantillon 2 comme étant une bulle de gaz.
Sur la Figure 7C, l'échantillon fluide 2 a été accéléré par électromouillage, de sorte que l'écart de position est important par rapport à la position en pointillé, et supérieur à l'écart seuil. L'échantillon 2 est identifié comme une goutte de liquide conducteur.
Il est à noter que l'on peut également recevoir les signaux lumineux à d'autres instants du déplacement de l'échantillon au niveau de l'électrode de détection, et détecter un éventuel ralentissement par électromouillage de l'échantillon fluide.
Selon le second mode de réalisation de l'invention, le dispositif et le procédé d'identification de la phase de l'échantillon se distinguent du premier mode de réalisation essentiellement en ce que l'échantillon est éventuellement déformé et/ou déplacé par diélectrophorèse .
La Figure 8 représente un organigramme de mise en œuvre du procédé d' identification selon ce second mode de réalisation.
Dans ce mode de réalisation, l'échantillon fluide 2 peut être identifié comme étant soit une bulle de gaz, soit une goutte d'un liquide diélectrique.
Une goutte peut être, à titre illustratif, de l'eau, un sérum, un liquide biologique comportant des analytes. La bulle de gaz peut être une bulle d'air. L'échantillon fluide 2 est environné d'un fluide 3, de préférence gazeux, et par exemple de l'air, non miscible avec le fluide de l'échantillon.
Par diélectrophorèse, ou diélectrophorèse liquide (LDEP en anglais, pour « Liquid Dielectrophoresis ») , on entend l'application d'une force électrique sur un liquide électriquement isolant, ici le liquide de la goutte, la force étant générée par un champ électrique oscillant non uniforme.
Lorsque la goutte 2 de liquide est située dans le champ électrique généré à partir de l'électrode de détection 15, les molécules du liquide acquièrent un dipôle non nul et se polarisent. Lorsque l'électrode de détection 15 est activée, cela entraîne une évolution de la morphologie de la goutte, autrement dit une déformation. Lorsque deux électrodes adjacentes sont successivement activées, une goutte de liquide diélectrique se déplace d'une électrode à l'autre.
A la différence du premier mode de réalisation décrit précédemment, la tension de polarisation U appliquée à l'électrode de détection, par exemple entre l'électrode de détection et la contre-électrode, est une tension alternative dont la fréquence est comprise entre, par exemple, quelques dizaines kilohertz et quelques mégahertz, par exemple entre 15 kHz et 10MHz, et entre 15 kHz et 100kHz, et d'une tension préférentielle de quelques volts RMS (tension efficace) à quelques centaines de volts RMS.
Ainsi, lorsque l'échantillon fluide 2 est une goutte d'un liquide diélectrique, l'échantillon est déformé et/ou déplacé. A partir de la mesure des images de l'échantillon dans la zone de détection 4 avant et pendant la génération du champ électrique, on déduit des valeurs d'une même caractéristique de la forme et/ou de la position de l'échantillon.
On calcule un écart entre les deux valeurs préalablement déduites. On identifie l'échantillon 2 comme étant une bulle de gaz et non pas une goutte d'un liquide polaire lorsque l'écart calculé est inférieur ou égal à un écart seuil prédéterminé.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'identification de l'état liquide électriquement conducteur ou gazeux d'un échantillon fluide (2) situé entre deux parois (11, 21) d'un système microfluidique (1) et entouré d'un liquide (3) diélectrique non miscible, caractérisé en ce que :
on positionne ledit échantillon (2) dans une zone de détection (4) comportant une électrode de détection (15) située au niveau de l'une desdites parois (11, 21), de manière à ce que ledit échantillon (2) recouvre partiellement ladite électrode de détection (15) ;
on reçoit un premier signal optique issu de ladite zone de détection (4) ;
on génère, à partir de ladite électrode de détection (15), un champ électrique apte à modifier par électromouillage la position et/ou la forme dudit échantillon (2) dans le cas où il est dans l'état liquide électriquement conducteur ;
on reçoit, pendant ladite génération du champ électrique, un deuxième signal optique issu de ladite zone de détection (4) ;
on identifie l'état dudit échantillon fluide (2) comme étant gazeux en comparant lesdits premier et deuxième signaux optiques.
2. Procédé d'identification selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ électrique est continu ou présente une fréquence sensiblement inférieure ou égale à 10kHz.
3. Procédé d'identification de l'état liquide diélectrique ou gazeux d'un échantillon fluide (2) situé entre deux parois (11, 21) d'un système microfluidique (1) et entouré d'un liquide (3) non polaire et non miscible, caractérisé en ce que :
on positionne ledit échantillon (2) dans une zone de détection (4) comportant une électrode de détection (15) située au niveau de l'une desdites parois (11, 21), de manière à ce que ledit échantillon
(2) recouvre partiellement ladite électrode de détection (15) ;
on reçoit un premier signal optique issu de ladite zone de détection (4) ;
- on génère, à partir de ladite électrode de détection (15), un champ électrique apte à modifier par diélectrophorèse la position et/ou la forme dudit échantillon (2) dans le cas où il est dans l'état liquide polaire ;
- on reçoit, pendant ladite génération du champ électrique, un deuxième signal optique issu de ladite zone de détection (4) ;
on identifie l'état dudit échantillon (2) comme étant gazeux en comparant lesdits premier et deuxième signaux optiques.
4. Procédé d'identification selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ électrique présente une fréquence strictement supérieure à 10kHz.
5. Procédé d'identification selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits premier et second signaux optiques sont des images de ladite zone de détection (4) .
6. Procédé d'identification selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lors de la comparaison, on applique un filtre spatial passe haut aux images reçues pour extraire le contour de 1' échantillon (2) .
7. Procédé d'identification selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite comparaison comporte une soustraction entre lesdits premier et deuxième signaux optiques.
8. Procédé d'identification selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit échantillon fluide (2) est statique lors desdites étapes de réception des signaux optiques.
9. Procédé d'identification selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit échantillon fluide (2) est en mouvement continu, lors desdites étapes de réception des signaux optiques, sous l'action de moyens de positionnement.
10. Dispositif d'identification de l'état liquide électriquement conducteur ou gazeux d'un échantillon fluide (2) situé entre deux parois (11, 21) d'un système microfluidique (1) et entouré d'un liquide (3) diélectrique non miscible, caractérisé en ce qu'il comporte :
une zone de détection (4) comportant une électrode de détection (15) située au niveau de l'une desdites parois (11, 21) ;
des moyens de positionnement dudit échantillon fluide (2) dans ladite zone de détection (4), de manière à ce que ledit échantillon (2) recouvre partiellement ladite électrode de détection (15) ;
- des moyens (40) de génération, à partir de ladite électrode de détection (15), d'un champ électrique apte à modifier par électromouillage la position et/ou la forme dudit échantillon (2) dans le cas où il est dans l'état liquide électriquement conducteur ;
des moyens (50) de réception optique pour recevoir un premier signal optique issu de ladite zone de détection (4) avant ladite génération du champ électrique et un second signal optique issu de ladite zone de détection (4) pendant ladite génération du champ électrique ;
des moyens (60) de calcul pour comparer lesdits premier et second signaux optiques préalablement reçus ;
- des moyens (70) d'identification de l'état de l'échantillon fluide (2) aptes à identifier l'état dudit échantillon (2) comme étant gazeux en fonction de ladite comparaison.
11. Dispositif d'identification de l'état liquide diélectrique ou gazeux d'un échantillon fluide (2) situé entre deux parois (11, 21) d'un système microfluidique (1) et entouré d'un liquide (3) non polaire et non miscible, caractérisé en ce qu' il comporte :
- une zone de détection (4) comportant une électrode de détection (15) située au niveau de l'une desdites parois (11, 21) ;
des moyens de positionnement dudit échantillon fluide (2) dans ladite zone de détection (4), de manière à ce que ledit échantillon (2) recouvre partiellement ladite électrode de détection (15) ;
des moyens (40) de génération, à partir de ladite électrode de détection (15), d'un champ électrique apte à modifier par diélectrophorèse la position et/ou la forme dudit échantillon (2) dans le cas où il est dans l'état liquide polaire ;
des moyens (50) de réception optique pour recevoir un premier signal optique issu de ladite zone de détection (4) avant ladite génération du champ électrique et un second signal optique issu de ladite zone de détection (4) pendant ladite génération du champ électrique ;
des moyens (60) de calcul pour comparer lesdits premier et second signaux optiques préalablement reçus ;
des moyens (70) d'identification de l'état de l'échantillon fluide (2) en fonction de ladite comparaison .
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