WO2014013368A1 - Procédé de fabrication d'une colonne d'analyse de chromatographie - Google Patents

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WO2014013368A1
WO2014013368A1 PCT/IB2013/055413 IB2013055413W WO2014013368A1 WO 2014013368 A1 WO2014013368 A1 WO 2014013368A1 IB 2013055413 W IB2013055413 W IB 2013055413W WO 2014013368 A1 WO2014013368 A1 WO 2014013368A1
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Olivier Dellea
Pascal Fugier
Hélène MARIE
Séverine Vignoud
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • G01N30/56—Packing methods or coating methods

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing a chromatography analysis column, a chromatography analysis column and a device comprising such a chromatography analysis column.
  • GC Gas Column Chromatography
  • TCD detector thermal conductivity differential detector
  • FID flame ionization detector
  • chromatographs are often coupled with other analytical instruments, including mass spectrometry and infrared spectroscopy. But these devices are perfect laboratory tools bulky and very expensive. However, recent advances in micro and nanotechnology are paving the way for the miniaturization of this type of high performance, universal analyzer.
  • GC Gas Chromatography
  • microcolumns engraved in silicon.
  • the micro fabrication on silicon makes it possible to envisage new forms of micro-columns, the monolithic integration of several columns and / or other functional elements (injector, detector) on the same chip, as well as mass production, ultimately leading to a significant reduction in costs.
  • the separation efficiency of the microcolumns is based on the affinity difference of the analytes with the so-called “stationary” phase (layer deposited on the wall of the channels) and the so-called “mobile” phase (the carrier gas) and thus on the migration. differential obtained from these analytes.
  • a good separation power characterizing a high performance column passes through a uniform deposit in composition and thickness on all the walls of the column.
  • the deposition processes used today for silicon columns are very similar to those used for capillary columns.
  • Layer Open Tubular with a structured internal surface with a high surface area to volume ratio, are more efficient for the separation of certain mixtures, in particular permanent gases and light alkanes, essential compounds of natural gas and biogas.
  • These columns are chromatography analysis columns, in contrast to the chromatography enrichment columns, which are used to concentrating the mobile phase analyte to detect and / or analyze, before its passage in the analysis column itself.
  • the columns of the PLOT type are hollow columns comprising a porous stationary phase layer deposited on the inner wall of the column.
  • the stationary phase is deposited similarly to the PLOT columns, but the deposit obtained has an inhomogeneity detrimental to the detection.
  • a silicon substrate denoted 1a in FIG. 1
  • a silicon substrate is etched to form the desired internal shape of the column, and then the surface of the substrate 1a in which this shape has been formed is activated, for example by plasma, by a UV treatment or by a "piranha" solution
  • a piranha solution is a solution composed of sulfuric acid and hydrogen peroxide.
  • the particles intended to form the stationary phase denoted 2a in FIG. 1 are deposited on the activated surface of the substrate 1a. Activation of the surface of this substrate allows it to create strong covalent or hydrogen bonds between the activated surface of the substrate 1a and the particles 2a.
  • a cover, denoted 7a in FIG. 1, also comprising a layer, denoted 8a in FIG. 1, of particles of the stationary phase is sealed on the substrate obtained for closing the column.
  • the cover denoted 7a in FIG. 1, is placed in such a way that its surface covered with particles 8a faces the surfaces also covered with particles 2a of the substrate 1a.
  • the sealing may be obtained, for example by deposition of an adhesive, denoted 9a in FIG. 1, on the edges of the substrate 1a, as shown in FIG.
  • an adhesive denoted 9a in FIG. 1
  • the deposition of the particle film on the vertical walls is difficult. Indeed, the geometric configuration of the channel makes it difficult to achieve a particle deposition compliant compact assembly, that is to say according to the shape of the walls. Whatever the deposition technique used, there will be lack of particles on the vertical walls and therefore inhomogeneities in the stationary phase.
  • the aim of the invention is to overcome the disadvantages of the methods of the prior art by proposing a method that can be applied to any type of substrate and does not require the etching of this substrate. By this method low cost components on plastic are possible.
  • the method of the invention makes it possible to have particles distributed homogeneously over all the internal phases of the column. It allows to build layer by layer the stationary phase and thus to associate particles of natures, dimensions, and / or different surface acti valions.
  • the substrate is not etched, the vast majority of particle deposition techniques in compact assembly are compatible to achieve the deposition of the particles.
  • techniques such as that of the spinner can not be implemented because of the surface topology related to the engravings.
  • the invention proposes a method of manufacturing a chromato graphy analysis column, characterized in that it comprises the following steps:
  • step d) when the material sensitive to light radiation behaves like a positive photosensitive resin, or
  • step d areas not insolated in step d), when the material sensitive to light radiation behaves like a negative photosensitive resin, and f) covering and sealing the structure obtained in step e) with a hood covered on its face facing the layers of at least one layer of particles in compact assembly identical to or different from those deposited on the surface of the substrate.
  • the method of the invention further comprises, before step a) a step a1) of activating said surface of the substrate.
  • this activation step is performed by plasma (O 2 , UV or a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide.
  • the method of the invention also comprises, after step a1) itself, a step a2) of anchoring, on the surface of the substrate, particles of said first layer.
  • This step a2) may be a thermal annealing step or a step of impregnating this first layer with a photoresist followed by exposure of this photoresist with the appropriate light radiation to crosslink this resin.
  • the method of the invention further comprises, after step b) a step b1) of the heat treatment of the impregnated particle layers, of sensitive material obtained in step b) to stabilize this sensitive material and remove residual solvents.
  • the method of the invention comprises, after step c), a thermal annealing step c1) to finalize the crosslinking of the insulated sensitive material zones.
  • the method of the invention further comprises, after step d), a step d1) of heat treatment of the layers obtained in step d), preferably at a temperature of between 50 ° C. and 170 ° C included, for 1 to 10 minutes inclusive. Still more preferably, the method of the invention further comprises a step of forming at least one layer of particles in a compact assembly on a face of a hood.
  • the particles used in the method of the invention have a mean diameter, measured by Zetasizer ®, ® Nanosizer or scanning electron microscope, of between 50 nm and 500 ⁇ included.
  • the total thickness of the layers formed on the substrate is between 50 and 700 microns inclusive.
  • Particles that can be used are particles of a metal oxide, polymer, ceramic, metal, or polysaccharide. They are preferably of a material selected from silica, titanium dioxide, alumina, latex, polydimethylsiloxane (PDMS), gold, copper, and mixtures thereof.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the particles used in the invention are optionally functionalized.
  • Step a) may be carried out, for example, by the Langmuir-Blodgett method, or the Langmuir-Schaefer method, or by Marangoni self-assembly, or by the surface vortical method, or by floating transfer, or by dip coating, or by spin coating.
  • the material sensitive to light radiation behaves as a positive resin sensitive to radiation with wavelengths between 150 and 700 nm.
  • the material sensitive to light radiation behaves as a negative resin sensitive to radiation with wavelengths between 150 and 700 nm.
  • the material sensitive to light radiation is obtained by a sol-gel process.
  • step b) it can be carried out by spin coating the light-sensitive material on the particle layers or by immersing the substrate coated with the layers of particles in the material sensitive to the light-sensitive material. light radiation. It can also be carried out by spraying or depositing drops (drop-coating, in English) of the sensitive material on the substrate coated with the layers of particles.
  • Step c) of insolation of the impregnated layer with the light radiation can be carried out through a mask having areas transparent to said light radiation, these transparent areas corresponding to:
  • step c) of insolation of the impregnated layer may also be performed by laser writing to form the desired internal shape of the column, when the light-sensitive material behaves like a positive resin, or in the hollowing zones this internal shape, when the light-sensitive material behaves like a negative resin.
  • the substrate is flexible or rigid, and is a metal oxide, a metal, a ceramic or a polymer.
  • the substrate is silicon.
  • the invention also proposes a chromatography analysis column characterized in that it comprises a substrate whose planar surface is coated with at least one layer of particles, this layer of particles, possibly functionalized, comprising a zone devoid of particles and forming the inner portion of the column and in that at least one wall of the column consists of a mixture of said particles, optionally functionalized, and a crosslinked light-sensitive material.
  • the particles are particles of a metal oxide, a ceramic, a polymer, a polysaccharide or a metal.
  • particles of titanium dioxide, alumina, silica, polydimethylsiloxane, latex, gold, copper or a mixture thereof will be used.
  • the particles used in the invention are functionalized particles.
  • these particles have a mean diameter of between 50 nm and 500 ⁇ m inclusive.
  • the substrate of the column of the invention can be flexible or rigid. It may be of a material selected from a metal oxide, a metal, a polymer or a ceramic.
  • the chromatography column of the invention is silicon.
  • the invention also proposes a device in that it comprises a chromatography analysis column obtained by the method of manufacturing a chromatography analysis column of the invention or comprising a chromatography analysis column according to the invention. 'invention.
  • FIG. 2 shows schematically the various steps of the method of the invention. the invention.
  • the method for producing a chromatography analysis column consists in depositing on the surface of a substrate, denoted 1 in FIG. 2, unstructured, that is to say the surface of which is plane, a first layer, denoted 2 in Figure 2, particles intended to form the stationary phase compact assembly (also called colloidal crystal), to a sufficient thickness to form microcolumns.
  • a substrate denoted 1 in FIG. 2, unstructured, that is to say the surface of which is plane
  • a first layer denoted 2 in Figure 2
  • particles intended to form the stationary phase compact assembly also called colloidal crystal
  • the substrate 1 may be flexible or rigid and may be metal oxide, metal such as silicon or a polymer or a ceramic.
  • the substrate When the substrate is to be flexible, it will preferably be a polymer such as poly (ethylene terephthalate) (PET), poly (ethylene naphthalate) (PEN), or polycarbonate (PC).
  • PET poly (ethylene terephthalate)
  • PEN poly (ethylene naphthalate)
  • PC polycarbonate
  • the particles may be a metal oxide, a metal, a polymer, a polysaccharide or a ceramic.
  • it will be particles of a material selected from silica, alumina, titanium dioxide, latex, polydimethylsiloxane (PDMS), gold, copper, and mixtures thereof. These particles may be optionally functionalized.
  • the particles may all be functionalized but only some of them can be functionalized.
  • first layer 2 On the first layer 2 is then deposited at least a second layer, denoted 12 in Figure 2, identical or different from that constituting the first layer 2.
  • the particles of the layers 2 and 12 also form particles in compact assembly.
  • photolithography steps are implemented to create the microchannels of the microcolumn.
  • the insolation is carried out under a mask or with a laser equipment designed specifically for the insolation of photosensitive materials deposited in thick layers, that is to say of a thickness of Up to 500 ⁇ m inclusive.
  • the method of the invention comprises the following steps; deposition of a first layer 2 of compact assembly particles on the surface of a substrate 1, deposition of at least a second layer 12 of particles identical to or different from that of layer 1, also in compact assembly, on the layer 2. Impregnation of the layers 2, 12 with a photosensitive material. In the case shown in FIG. 2, the photosensitive material behaves like a positive resin. A stack of layers of microparticles impregnated with photosensitive material, denoted 3 in FIG. 2, is then obtained.
  • a thermal annealing operation is then performed to stabilize the stack of microparticles impregnated with photosensitive materials.
  • this step is not an indispensable step, but simply a preferred step of the process of the invention.
  • these layers 3 are insulated through a mask, denoted 11 in FIG. 2, comprising zones transparent to the light radiation, noted 4 in FIG. Figure 2, to which the photosensitive material is sensitive, these transparent areas having the shape of the internal cavity of the microcolumn to be manufactured.
  • the photosensitive material can also be laser-engraved in the desired areas of resin to form the inner shape of the microcolumn, in which case no mask is used.
  • the sensitive material is developed, that is to say that the non-insolated part of the stack of layers 3 is eliminated, in the case of a photosensitive material behaving like a positive resin, as shown in FIG. .
  • these particles may be identical or different from those constituting the layers 2 and 12.
  • the column according to the invention consists of a substrate 1 whose flat surface is covered with at least two layers 3 of particles, these layers 3 comprising a zone, denoted 5, in Figure 2, in which there are no microparticles.
  • the surface of the substrate always comprises at least one layer, denoted 10 in FIG. 2, of particles.
  • the particles forming the layers 3 are identical to those already described with reference to the method for manufacturing a microcolumn of the invention.
  • They can be functionalized with molecules, for example specific and selective of the compound to be detected in the mobile phase. This functionalization can be carried out by grafting or adsorption of said specific and selective molecules. It should be noted that it is necessary to preserve all or a significant part of the active functions (micro-channels) of the microcolumn of chromato graphie analysis of the invention allowing the adsorption of gases or fluids. In addition, the functionalized particles must be compatible with the photosensitive material (material sensitive to light radiation 4) for producing the component.
  • the method of the invention preferably comprises a step of pretreatment of the surface of the substrate 1 before the deposition of the first layer 2 of particles.
  • This step is called the activation step. It can be carried out by plasma (O 2 , UV, by treatment with a piranha solution (mixture of H 2 SO 4 and H 2 O 2 ) or by ozone.
  • This activation treatment makes it possible at the same time to eliminate any organic material physisorbed on the substrate to generate hydroxyl groups in surfaces in order to obtain an attachment of the particles intended to form the stationary phase
  • the hydroxyl groups may be silanol groups when the substrate is made of silicon.
  • the deposition of the layers 2 and 12 of particles can be achieved by stacking the layers one after the other or in a direct and collective manner.
  • the average diameter of the particles used is typically 50 nm and 500 ⁇ m included. In the invention, the average particle diameter is determined by Zetasizer ®, ® Nanosizer or scanning electron microscope.
  • the thickness of the stack of layers 2, 12 or 3 must make it possible to obtain a circulation zone of the mobile phase of 50 to 700 ⁇ in the direction normal to the substrate. It is therefore preferably between 50 and 700 ⁇ m inclusive.
  • the Langmuir-Blodgett method involves a carrier liquid (for example water) in which the "target" substrate on which the monolayer of particles is to be transferred is immersed in a vertical position. The particles are dispensed on the surface of the liquid on which they disperse. A mechanical tool (called a barrier) is then set in motion to gradually reduce the area occupied by the particles in order to put them in compression. When the compact film is formed, the substrate is set in motion to deposit the film by capillarity on its surface. The barrier must accompany this pulling movement in order to maintain compression of the particles [1,2].
  • a carrier liquid for example water
  • the barrier is then set in motion to gradually reduce the area occupied by the particles in order to put them in compression.
  • the substrate is set in motion to deposit the film by capillarity on its surface. The barrier must accompany this pulling movement in order to maintain compression of the particles [1,2].
  • the Langmuir-Schaefer method The principle of the Langmuir-Schaefer technique is strictly the same as that used in the case of Langmuir-Blodgett, the only difference being that the substrate is positioned horizontally
  • the surface voretic method [5] consists in creating a vortex (using a magnetic stirrer) on the surface of the water and dispersing the hydrophobic particles on this vortex. The particles being hydrophobic, they remain on the surface of the vortex. Thus, the particles are organized together by compression. Substrate deposition is done according to the Langmuir-Blodgett method.
  • the "drop-coating" technique can be used [8,9]: a colloidal solution is deposited on the surface of the hydrophilic substrate and the evaporation Slow solvent results in an ordered structure of particles. This technique is difficult to control over large areas and in the case where particles of different natures or functionalizations are used, it does not make it possible to control the composition of the layers forming the multilayer structure.
  • Photolithography is a conventional method widely used in microelectronics to manufacture micronic systems.
  • the steps of the photolithography process begin with the application of a photosensitive material and the formation of a thin layer on the surface of a substrate (silicon, polymers, etc.).
  • Deposition of the photosensitive material can be done in a number of ways.
  • this layer impregnated with photosensitive material is then partially exposed to a light radiation.
  • a mask consisting of opaque areas and transparent to the light radiation, defines the geometric pattern that is to be reproduced on the substrate.
  • photosensitive materials are conceivable and must be selected according to their compatibilities with the functionalized particles: whatever the material used, it must be neutral with respect to the functionalisation of the particles, functionalization that has been carried out to detect the desired analyte, or the same family or composition as the functionalization carried out on the particles, either to bring a complementary element.
  • the positive resins the illuminated part of which is eliminated during development, following the degradation (photolysis) of the photosensitive part of the photoactive compound (for example the DiazoNaphthoquinone DNQ) which they contain and, negative resins which, on the contrary, crosslink under the effect of radiation and whose illuminated parts will be insoluble in the solvents used during development.
  • the photosensitive part of the photoactive compound for example the DiazoNaphthoquinone DNQ
  • the organic-inorganic sol-gel hybrids make it possible to obtain chemically homogeneous microstructures. Syntheses of hybrid organic-inorganic materials are widely described in the literature. It is possible to use, for example, sol-gels based on MAPTMS (MethAcryloxyPropylTriMethoxySilane) and ZPO (Zirconium Propoxide).
  • MAPTMS MetalAcryloxyPropylTriMethoxySilane
  • ZPO Zero-conium Propoxide
  • a photoinitiator such as CIBA Irgacure ® 369 or 189
  • the final material comprises a mineral network and an organic network.
  • the spread of photosensitive materials on the substrate is achieved by spin coating. This method can be envisaged but there is a high risk of weakening the multilayer structure.
  • Another solution consists in impregnating the structure by immersing the substrate slowly and progressively. Through capillary forces, the impregnating material fills the interstices between the particles.
  • the photosensitive material must be exposed to light, preferably UV.
  • the layer to insulate is considered by those skilled in the art as thick (> 10 ⁇ ).
  • Equipment is currently on sale and can be used to insolate such thicknesses by using the masking technique (eg Q7000 mask aligner ® , Neutronix-Quintel supplier) or by direct laser writing (eg DILASE ® equipment, KLOE supplier). .
  • the irradiation dose is adjusted according to the thickness of the film. It is the product of the irradiation time and the intensity of the light, preferably UV.
  • the insensitive photosensitive material is then developed to reveal the microstructures.
  • This phase is based on the solubilization of photosensitive materials in a good solvent or successive rinsing with butanol and isopropanol for hybrid sol-gels.
  • Annealing for densification and relaxation of stresses can also be implemented. It consists of a heat treatment. This heat treatment will not necessarily be achieved. However, it makes it possible to activate the end of crosslinking of the polymer network. In addition, when thermal stresses and cracks appear after development, this annealing relaxes the stresses and stabilize the final structure.
  • the industrial sealing of the microstructures is carried out according to different ways:
  • Liquid channel Sipix Imaging, Inc. has developed several original methods [12,13] to close the microcuvettes used in electrophoretic screens, all based on the principle of immiscibility between two liquids.
  • PSA Pressure Sensitive Adhesives
  • Sensitive Adhesive are viscoelastic, elastomeric materials that can adhere strongly to a solid surface by applying a low pressure and a low contact time.
  • the integration of UV-sensitive oligomers and photoinitiators into the glue formulation provides UV-crosslinkable PSA adhesives [14]. When hot melt adhesives, they are deposited in the molten state (low viscosity) and their cohesion is ensured during cooling.
  • the cover denoted 7 in FIG. 2 used for this sealing is a cover covered on its sealed side with a layer of particles 8 identical to or different from that constituting the layer 3.
  • the chromatography analysis column thus obtained comprises at least one longitudinal wall consisting of stationary phase particles, optionally functionalized, impregnated with a photosensitive material with a crosslinked light radiation, as seen in FIG.
  • Example 1 A silicon substrate having a diameter of 7.62 cm (3 inches) having a silica layer of 100 nm thick obtained by thermal growth has undergone a step al) acfivation of the surface by Brown c treatment that is, soaking in a 0, 1 N. sodium hydroxide bath.
  • the first layer of particles functionalized with 5,6-epoxyhexyltriethoxysilane creates covalent bonds between the particles and the substrate.
  • heat treatment at 110 ° C. for 3 hours was carried out.
  • the stack of layers was impregnated with a positive photoresist, the TELR-P0003PM marketed by the company TOK Europe (Tokyo ohka kogyo co.ltd), by spin coating at 1000 rpm for 1 min.
  • a positive photoresist the TELR-P0003PM marketed by the company TOK Europe (Tokyo ohka kogyo co.ltd)
  • the stack of layers was stabilized by thermal annealing at 110 ° C for 2 min.
  • the resulting assembly was then irradiated with 365 nm wavelength UV radiation at 200 MJ / cm for 15 seconds.
  • TMA 238 WA sold by the company JSR contains tetramethylammonium hydroxide.
  • the immersion lasted a few seconds.
  • the substrate coated with the layers was then rinsed with water. The exposure was achieved by MA750 laser equipment emitting wavelengths of 365 nm.
  • the substrate coated with particle layers having the hollow shape of the desired microcolumn was heat-treated at 110 ° C. for 1 hour.
  • a hood coated on one of these faces with a layer of the same particles as described above was sealed with an adhesive at 110 ° C. for 30 minutes and then 160 ° C. for 1 hour under vacuum.
  • the sealing cap was covered with particles by the following method:
  • a 7.62 cm (3 inch) diameter silicon substrate coated with a 100 nm layer of silica was activated by Brown treatment, that is to say immersed in a 0.1 N sodium hydroxide bath.
  • Silica particles with an average diameter of ⁇ were functionalized with 5,6-epoxyhexyltriethoxysilane in solution at 5 mM in toluene at 80 ° C. for 16 hours.
  • the substrate was rinsed with distilled water and then annealed for drying at 110 ° C for 3 hours.
  • the functionalized particles were deposited on a surface of the substrate by the Langmuir-Blodgett method at a drawing speed of 1 cm / min.
  • This first layer of particles was then heat-treated at 110 ° C. for 3 hours to anchor this layer on the substrate by establishing covalent bonds as in Example 1.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une colonne d'analyse de chromatographie, la colonne ainsi obtenue et un dispositif comprenant une telle colonne. Le procédé de l'invention comprend les étapes de : a) dépôt d'une première couche de particules, destinées à former la phase stationnaire, sur la surface plane d'un substrat, b) dépôt d'au moins une seconde couche de particules en assemblage compact sur la couche, c) imprégnation des première et seconde couches avec un matériau sensible à un rayonnement lumineux, pour former au moins deux couches de particules en assemblage compact imprégnées de matériau sensible, d) insolation de ces couches dans les zones correspondant à la forme interne voulue de la colonne d'analyse de chromatographie, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine positive, ou détourant cette forme interne, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine photosensible négative, e) élimination soit des zones insolées à l'étape d), lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine photosensible positive, soit des zones non insolées à l'étape d), lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine photosensible négative, et d) recouvrement et scellement de la structure obtenue à l'étape e) avec un capot recouvert sur sa face tournée vers les couches d'au moins une couche de particules en assemblage compact identiques ou différentes à celles déposées sur la surface du substrat. L'invention trouve application dans le domaine de l'analyse chimique, en particulier.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE COLONNE D'ANALYSE DE CHROMATOGRAPHIE
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une colonne d'analyse de chromatographie, une colonne d'analyse de chromatographie et un dispositif comprenant une telle colonne d'analyse de chromatographie.
Les contraintes générées par des réglementations, de plus en plus sévères, en matière de sécurité des installations industrielles (raffineries, plates-formes pétrolières, usines chimiques...), la nécessité de contrôler et de surveiller la qualité de l'air que nous respirons sur notre lieu de travail ou dans nos déplacements quotidiens impliquent le développement de nouveaux outils d'analyse de gaz en rupture avec l'offre commerciale afin d'apporter des gains sensibles en termes de portabilité, de sensibilité, de sélectivité, de multiplicité des analytes identifiables ou de coût.
Dans le domaine des analyseurs de gaz de terrain l'offre commerciale ne répond pas à l'ensemble de ces critères, malgré une grande variété de technologies sur le marché (semi-conducteur : manque de sélectivité, dérive, influence de l'humidité ; électrolytique : problème de recalibration ; optique dans l'infrarouge : encombrement et coût...).
Pour l'analyse de mélange de gaz complexes la méthode de référence est la Chromatographie en Phase Gaz (CPG) couplée en sortie de colonne à un détecteur de type TCD (détecteur différentiel à conductivité thermique) ou FID (détecteur à ionisation de flamme).
Pour compléter les analyses, les chromatographes sont souvent couplés à d'autres instruments analytiques, notamment la spectrométrie de masse et la spectroscopie infrarouge. Mais ces dispositifs restent de parfaits outils de laboratoire encombrants et à coût très élevés. Cependant, les récents progrès des micro et nanotechnologies ouvrent la voie à la miniaturisation de ce type d'analyseur à haute performance et universel.
La technique de chromatographie en phase gazeuse (CPG) est l'une des méthodes de séparation et d'analyse les plus utilisées pour les composés volatils ou semi-volatils. En particulier, associée à la spectrométrie de masse, elle est la méthode de choix pour l'analyse de mélanges gazeux complexes dans de nombreux domaines : environnement, sécurité, industrie pharmaceutique, agroalimentaire, pétrochimie...
Les équipements actuels les plus courants sont difficilement transportables et chers. Une voie intéressante vers la miniaturisation passe par la réalisation de microcolonnes gravées dans le silicium. Outre l'intérêt de la stricte réduction de taille, la micro fabrication sur silicium permet d'envisager des formes nouvelles de micro colonnes, l'intégration monolithique de plusieurs colonnes et/ou d'autres éléments fonctionnels (injecteur, détecteur) sur la même puce, ainsi qu'une production de masse, permettant à terme une forte réduction des coûts.
L'efficacité de séparation des microcolonnes est basée sur la différence d'affinité des analytes avec la phase dite « stationnaire » (couche déposée sur la paroi des canaux) et la phase dite « mobile » (le gaz vecteur) et donc sur la migration différentielle obtenue de ces analytes.
Un bon pouvoir de séparation caractérisant une colonne performante passe par un dépôt homogène en composition et épaisseur sur toutes les parois de la colonne. Les procédés de dépôt utilisés aujourd'hui pour les colonnes silicium sont très similaires à ceux utilisés pour les colonnes capillaires.
Même si les efficacités de séparation obtenues sont du même ordre de grandeur que dans une colonne standard, ces procédés restent des procédés puce à puce, c'est-à-dire dans lesquels les composants sont traités les uns après les autres, et sont limités par Γ inhomogénéité des dépôts, avec par exemple des surépaisseurs des couches de matériaux déposés dans les coins des canaux. Une grande marge de progrès existe, tant au niveau performance qu'au niveau de réduction du coût de fabrication, par le développement de procédés spécialement adaptés.
II a été montré de plus que des colonnes de type PLOT (Porous
Layer Open Tubular, en anglais), présentant une surface interne structurée à haut rapport surface sur volume, sont plus efficaces pour la séparation de certains mélanges, en particulier les gaz permanents et les alcanes légers, composés essentiels du gaz naturel et des biogaz.
Ces colonnes sont des colonnes d'analyse de chromatographie, en contraste aux colonnes d'enrichissement de chromatographie qui, elles, servent à concentrer la phase mobile en analyte à détecter et/ou analyser, avant son passage dans la colonne d'analyse proprement dite.
Les colonnes de type PLOT sont des colonnes creuses comportant une couche de phase stationnaire poreuse, déposée sur la paroi interne de la colonne.
Elles forment un tube creux, c'est-à-dire que la phase stationnaire, ou couche poreuse, ne remplit pas entièrement la colonne.
En technologie silicium, c'est-à-dire lorsque la paroi des microcolonnes est constituée de silicium, la phase stationnaire est déposée de façon similaire aux colonnes PLOT, mais le dépôt obtenu présente une inhomogénéité préjudiciable à la détection.
Cette inhomogénéité est due à la géométrie du canal dont la section est parallélépipédique ou trapézoïdale : il y a ainsi une surépaisseur de la phase stationnaire en certains points de la colonne, en particulier dans les angles.
On a ainsi proposé de déposer des particules en assemblage compact dans le canal et sur le capot de scellement. Cette voie est décrite en figure 1.
Comme on le voit en figure 1, on grave un substrat en silicium, noté 1 a en figure 1 , pour former la forme interne voulue de la colonne, puis la surface du substrat la dans laquelle cette forme a été formée est activée, par exemple par plasma, par un traitement aux UV ou par une solution « piranha », Une solution piranha est une solution composée d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène.
Puis les particules destinées à former la phase stationnaire, notées 2a en figure 1, sont déposée sur la surface activée du substrat la. L'activation de la surface de ce substrat la permet de créer des liaisons fortes covalentes ou hydrogènes entre la surface activée du substrat 1 a et les particules 2a.
Enfin, un capot, noté 7a en figure 1, comportant lui aussi une couche, notée 8a en figure 1, de particules de la phase stationnaire est scellé sur le substrat obtenu pour fermer la colonne.
Le capot, noté 7a en figure 1 , est placé de telle sorte que sa surface recouverte de particules 8a fait face aux surfaces également recouvertes de particules 2a du substrat la.
Le scellement peut être obtenu, par exemple par dépôt d'une colle, notée 9a en figure 1 , sur les bords du substrat 1 a, comme montré en figure 1. Cependant, par ce procédé le dépôt du film de particules sur les parois verticales est difficile. En effet, la configuration géométrique du canal rend difficile la réalisation d'un dépôt de particules en assemblage compact conforme, c'est à dire suivant la forme des parois. Quelle que soit la technique de dépôt employée, il y aura des manques de particules sur les parois verticales et donc des inhomogénéités dans la phase stationnaire.
L'invention vise à pallier les inconvénients des procédés de l'art antérieur en proposant un procédé qui peut s'appliquer sur tout type de substrat et ne nécessite pas la gravure de ce substrat. Par cette méthode des composants bas coûts sur plastique sont envisageables.
Le procédé de l'invention permet d'avoir des particules réparties de façon homogène sur toutes les phases internes de la colonne. Il permet de construire couche par couche la phase stationnaire et donc d'associer des particules de natures, dimensions, et/ou acti valions de surface différentes.
De plus, le substrat n'étant pas gravé, la grande majorité des techniques de dépôts de particules en assemblage compact sont compatibles pour réaliser le dépôt des particules. Dans le cas d'un substrat gravé, des techniques comme celle de la tournette ne peuvent être mises en œuvre à cause de la topologie de surface liée aux gravures.
Ainsi, l'invention propose un procédé de fabrication d'une colonne d'analyse de chromato graphie caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
a) dépôt d'une première couche de particules, destinées à former la phase stationnaire, sur la surface plane d'un substrat,
b) dépôt d'au moins une seconde couche de particules en assemblage compact sur la couche,
c) imprégnation des première et seconde couches avec un matériau sensible à un rayonnement lumineux, pour former au moins deux couches de particules en assemblage compact imprégnées de matériau sensible,
d) insolation de ces couches dans les zones correspondant à la forme interne voulue de la colonne d'analyse de chromatographie, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine positive, ou détourant cette forme interne, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine photosensible négative,
e) élimination :
- des zones insolées à l'étape d), lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine photosensible positive, ou
- des zones non insolées à l'étape d), lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine photosensible négative, et f) recouvrement et scellement de la structure obtenue à l'étape e) avec un capot recouvert sur sa face tournée vers les couches d'au moins une couche de particules en assemblage compact identiques ou différentes à celles déposées sur la surface du substrat.
De préférence, le procédé de l'invention comprend de plus, avant l'étape a) une étape al) d'activation de ladite surface du substrat. De préférence, cette étape d'activation est effectuée par plasma (O2, UV ou un mélange d'acide sulfurique et de peroxyde d ' hydro gène .
Dans ce cas, de préférence, le procédé de l'invention comprend également, après l'étape al) elle-même, une étape a2) d'ancrage, sur la surface du substrat, des particules de ladite première couche. Cette étape a2) peut être une étape de recuit thermique ou encore une étape d'imprégnation de cette première couche avec une résine photosensible suivie d'une insolation de cette résine photosensible avec le rayonnement lumineux approprié pour réticuler cette résine.
Egalement de préférence, le procédé de l'invention comprend, de plus, après l'étape b) une étape bl) du traitement thermique des couches de particules imprégnées, de matériau sensible obtenu à l'étape b) pour stabiliser ce matériau sensible et éliminer les solvants résiduels.
Encore de préférence, le procédé de l'invention comprend, après l'étape c), une étape cl) de recuit thermique pour finaliser la réticulation des zones de matériau sensible insolé.
Toujours de préférence, le procédé de l'invention comprend, de plus, après l'étape d), une étape dl) de traitement thermique des couches obtenues à l'étape d), de préférence à une température comprise entre 50°C et 170°C inclus, pendant de 1 à 10 min inclus. Encore de préférence, le procédé de l'invention comprend de plus une étape de formation d'au moins une couche de particules en assemblage compact sur une face d'un capot.
Egalement de préférence, les particules utilisées dans le procédé de l'invention ont un diamètre moyen, mesuré par Zetasizer®, Nanosizer® ou microscope électronique à balayage, compris entre 50 nm et 500μιη inclus.
A nouveau de préférence, l'épaisseur totale des couches formée(s) sur le substrat est comprise entre 50 et 700 μm inclus.
Les particules qui peuvent être utilisées sont des particules en un oxyde métallique, en polymère, en céramique, en métal, ou en polysaccharide. Elles sont de préférence en un matériau choisi parmi la silice, le dioxyde de titane, l'alumine, le latex, le polydiméthylsiloxane (PDMS), l'or, le cuivre, et les mélanges de ceux-ci.
Les particules utilisées dans l'invention sont éventuellement fonctionnalisées.
L'étape a) peut être réalisée, par exemple, par la méthode de Langmuir-Blodgett, ou la méthode de Langmuir-Schaefer, ou par auto-assemblage de Marangoni, ou par la méthode vortique de surface, ou par transfert par flottement, ou par revêtement par trempage, ou par revêtement à la tournette.
Dans un premier mode de mise en œuvre du procédé de l'invention, le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine positive sensible à un rayonnement de longueurs d'ondes comprises entre 150 et 700 nm.
Dans un second mode de mise en œuvre du procédé de l'invention, le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine négative sensible à un rayonnement de longueurs d'ondes comprises entre 150 et 700 nm.
Dans un troisième mode de mise en œuvre du procédé de l'invention, le matériau sensible au rayonnement lumineux est obtenu par un procédé sol-gel.
Quant à l'étape b), elle peut être réalisée par dépôt à la tournette du matériau sensible au rayonnement lumineux, sur les couches de particules, ou par immersion du substrat revêtu des couches de particules dans le matériau sensible au rayonnement lumineux. Elle peut également être réalisée par pulvérisation ou dépôt de gouttes (drop-coating, en anglais) du matériau sensible sur le substrat revêtu des couches de particules.
L'étape c) d'insolation de la couche imprégnée avec le rayonnement lumineux peut être effectuée au travers d'un masque comportant des zones transparentes audit rayonnement lumineux, ces zones transparentes correspondant à :
- la forme interne voulue de la colonne de chromatographie, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine positive, ou
- détourant cette forme interne lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine négative.
Cependant, l'étape c) d'insolation de la couche imprégnée peut également être effectuée par écriture laser pour former la forme interne voulue de la colonne, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine positive, ou dans les zones détourant cette forme interne, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux se comporte comme une résine négative.
Enfin, de préférence, dans le procédé de l'invention, le substrat est souple ou rigide, et est en un oxyde métallique, en un métal, en une céramique ou un polymère. De préférence, le substrat est en silicium.
L'invention propose également une colonne d'analyse de chromatographie caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat dont une surface plane est revêtue d'au moins une couche de particules, cette couche de particules, éventuellement fonctionnalisées, comprenant une zone dépourvue des particules et formant la partie interne de la colonne et en ce que au moins une paroi de la colonne consiste en un mélange desdites particules, éventuellement fonctionnalisées, et d'un matériau sensible à un rayonnement lumineux, réticulé.
De préférence, dans la colonne d'analyse de chromatographie de l'invention, les particules sont des particules en un oxyde métallique, en une céramique, en un polymère, en un polysaccharide ou en un métal. De préférence, on utilisera des particules en dioxyde de titane, en alumine, en silice, en polydiméthylsiloxane, en latex, en or, en cuivre ou en mélange de celles-ci. Toujours de préférence, les particules utilisées dans l'invention sont des particules fonctionnalisées.
De préférence, ces particules ont un diamètre moyen compris entre 50nm et 500 μm inclus.
Quant au substrat de la colonne de l'invention, il peut être souple ou rigide. Il peut être en un matériau choisi parmi un oxyde métallique, un métal, un polymère ou une céramique. De préférence, la colonne de chromatographie de l'invention est en silicium.
L'invention propose également un dispositif en ce qu'il comprend une colonne d'analyse de chromatographie obtenue par le procédé de fabrication d'une colonne d'analyse de chromatographie de l'invention ou comprenant une colonne d'analyse de chromatographie selon l'invention.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative qui suit et qui est faite en référence à la figure 2 qui montre de façon schématique les différentes étapes du procédé de l'invention.
Globalement, le procédé de fabrication d'une colonne d'analyse de chromatographie selon l'invention consiste à déposer à la surface d'un substrat, noté 1 en figure 2, non structuré, c'est-à-dire dont la surface est plane, une première couche, notée 2 en figure 2, de particules destinées à former la phase stationnaire en assemblage compact (également appelé cristal colloïdal), sur une épaisseur suffisante pour former des microcolonnes.
Le substrat 1 peut être souple ou rigide et peut être en oxyde métallique, en métal tel que le silicium ou en un polymère ou une céramique. Lorsque le substrat doit être souple, il sera de préférence en un polymère tel que le poly(éthylène téréphtalate) (PET), le poly(éthylène naphthalate) (PEN), ou un polycarbonate (PC).
Quant aux particules, elles peuvent être en un oxyde métallique, en un métal, en un polymère, en un polysaccharide ou une céramique. De préférence, ce seront des particules en un matériau choisi parmi la silice, l'alumine, le dioxyde de titane, le latex, le polydiméthylsiloxane (PDMS), l'or, le cuivre, et des mélanges de ceux-ci. Ces particules pourront être éventuellement fonctionnalisées. Les particules pourront être toutes fonctionnalisées mais seulement certaines d'entre elles pourront être fonctionnalisées.
Ceci montre la grande souplesse du procédé de l'invention et la grande variété de phases stationnaires de microcolonnes d'analyse de chromatographie qui peuvent être obtenues à façon.
Sur la première couche 2 est ensuite déposée au moins une deuxième couche, notée 12 en figure 2, identique ou différente de celle constituant la première couche 2. Les particules des couches 2 et 12 forment également des particules en assemblage compact.
Puis, des étapes de photolithographies sont mises en œuvre pour créer les microcanaux de la microcolonne.
En fonction de la structure bi- ou multicouches à insoler, l'insolation est effectuée sous masque ou avec un équipement laser conçu spécifiquement pour l'insolation de matériaux photosensibles déposés en couches épaisses, c'est-à-dire d'une épaisseur de 10 jusqu'à 500 μm inclus.
Pour finir, une étape de scellement de la microcolonne est opérée.
Plus précisément, pour obtenir un canal creux du type microcolonne, le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes ; dépôt d'une première couche 2 de particules en assemblage compact sur la surface d'un substrat 1, dépôt d'au moins une seconde couche 12 de particules identiques ou différentes à celle de la couche 1, également en assemblage compact, sur la couche 2. Imprégnation des couches 2, 12 avec un matériau photosensible. Dans le cas représenté en figure 2, le matériau photosensible se comporte comme une résine positive. On obtient alors un empilement de couches de microparticules imprégnées de matériau photosensible, notées 3 en figure 2.
De préférence, on effectue alors une opération de recuit thermique pour stabiliser l'empilement de microparticules imprégnées de matériaux photosensibles. Cependant, cette étape n'est pas une étape indispensable, mais simplement une étape préférentielle, du procédé de l 'invention.
Puis, on insole ces couches 3 au travers d'un masque, noté 11 en figure 2, comprenant des zones transparentes au rayonnement lumineux, noté 4 en figure 2, auquel le matériau photosensible est sensible, ces zones transparentes ayant la forme de la cavité interne de la microcolonne à fabriquer.
On peut également insoler le matériau photosensible par écriture laser dans les zones voulues de résine pour former la forme interne de la microcolonne, auquel cas on n'utilise pas de masque.
Puis on développe le matériau sensible, c'est-à-dire qu'on élimine la partie non insolée de l'empilement de couches 3, dans le cas d'un matériau photosensible se comportant comme une résine positive, comme montré en figure 2.
Puis on scelle, par exemple par collage avec un capot, noté 7 en figure 2, ayant une couche, notée 8 en figure 2, de particules de phase stationnaire déposées en surface.
Là encore, ces particules pourront être identiques ou différentes de celles constituant les couches 2 et 12.
On pourra également utiliser un matériau photosensible se comportant comme une résine négative, auquel cas on insolera, soit au travers d'un masque comportant des zones transparentes détourant la forme interne voulue de la colonne à obtenir, soit par écriture laser, les zones détourant la forme interne voulue de la colonne à obtenir.
Ainsi, comme on le voit en figure 2, la colonne selon l'invention est constituée d'un substrat 1 dont une surface plane est recouverte d'au moins deux couches 3 de particules, ces couches 3 comportant une zone, notée 5, en figure 2, dans laquelle il n'y a pas de microparticules. Cependant, comme on le voit en figure 2, la surface du substrat comporte toujours au moins une couche, notée 10 en figure 2, de particules.
Les particules formant les couches 3 sont identiques à celles déjà décrites en référence au procédé de fabrication d'une microcolonne de l'invention.
Elles peuvent être fonctionnalisées avec des molécules, par exemple spécifiques et sélectives du composé à détecter dans la phase mobile. Cette fonctionnalisation peut être effectuée par greffage ou adsorption desdites molécules spécifiques et sélectives. Il est à souligner qu'il faut préserver l'intégralité ou une partie significative des fonctions actives (micro-canaux) de la microcolonne d'analyse de chromato graphie de l'invention permettant l'adsorption des gaz ou des fluides. De plus, les particules fonctionnalisées doivent être compatibles avec le matériau photosensible (matériau sensible au rayonnement lumineux 4) permettant la réalisation du composant.
Afin de favoriser le dépôt des particules sur la surface du substrat, et pour permettre de conserver au moins la première couche 2 de particules, le procédé de l'invention comprend de préférence une étape de prétraitement de la surface du substrat 1 avant le dépôt de la première couche 2 de particules.
Cette étape est appelée étape d'activation. Elle peut être effectuée par plasma (O2, UV, par traitement avec une solution piranha (mélange de H2SO4 et H2O2) ou par l'ozone. Ce traitement d'activation permet à la fois d'éliminer les éventuelles matières organiques physisorbées sur le substrat de générer en surfaces des groupements hydroxyles afin d'obtenir une fixation des particules destinées à former la phase stationnaire. Les groupements hydroxyles pourront être des groupements silanol lorsque le substrat est en silicium.
Le dépôt des couches 2 et 12 de particules peut être réalisé en empilant les couches les unes après les autres ou de façon directe et collective. Le diamètre moyen des particules utilisées est typiquement compris 50 nm et 500μιη inclus. Dans l'invention, le diamètre moyen des particules est déterminé par Zetasizer®, Nanosizer® ou microscope électronique à balayage. L'épaisseur de l'empilement des couches 2, 12 ou 3 doit permettre l'obtention d'une zone de circulation de la phase mobile de 50 à 700 μπι dans la direction normale au substrat. Elle est donc de préférence comprise entre 50 et 700 μm inclus.
Les techniques permettant de réaliser une monocouche de particules en assemblage compact sont par exemple :
· La méthode Langmuir-Blodgett : Cette technique comporte un liquide porteur (par exemple de l'eau) dans lequel est préalablement immergé en position verticale le substrat « cible » sur lequel doit être reportée la monocouche de particules. Les particules sont dispensées à la surface du liquide sur laquelle elles se dispersent. Un outil mécanique (appelé barrière) est alors mis en mouvement pour réduire progressivement la surface occupée par les particules afin de les mettre en compression. Lorsque le film compact est formé, le substrat est mis en mouvement pour déposer par capillarité le film à sa surface. La barrière doit accompagner ce mouvement de tirage afin de conserver la mise en compression des particules [1,2].
• La méthode Langmuir-Schaefer : Le principe de la technique de Langmuir- Schaefer est strictement le même que celui utilisé dans le cas de Langmuir- Blodgett, l'unique différence étant que le substrat est positionné horizontalement
[1 ] .
• Auto-assemblage par le mécanisme de Marangoni : La méthode d'auto-assemblage par le mécanisme de Marangoni [3,4] est similaire à celles présentées ci-dessus. En effet, si l'étape de dépôt est strictement identique à la méthode de Langmuir- Blodgett, le mode d'assemblage des particules est différent : les particules rendues hydrophobes sont mises en solution dans de l'éthanol et dispersées à la surface de l'eau. La différence de tension de surface entre l'éthanol (22 dyn/cm) et l'eau (73 dyn/cm) crée un flux de surface appelé flux de Marangoni qui conduit à une variation de l'épaisseur du film d'éthanol à la surface de l'eau. L'agitation induite par ce phénomène permet l'organisation des particules entre elles.
• La méthode vortique de surface : La méthode vortique de surface [5] consiste à créer un vortex (à l'aide d'un agitateur magnétique) à la surface de l'eau et à disperser les particules hydrophobes sur ce vortex. Les particules étant hydrophobes, elles restent à la surface du vortex. Ainsi, les particules s'organisent entre elles grâce par compression. Le dépôt sur substrat se fait selon la méthode de Langmuir-Blodgett.
• Le transfert par flottaison (flotting-transferring, en anglais) : Le substrat est préalablement immergé dans le liquide et les particules de polystyrène sont déposées à la surface de l'eau, on procède ensuite à la coagulation des particules par ajout de dodécylsulfate de sodium et on dépose le film en retirant le substrat de l'eau [6,7].
• Le revêtement par trempage (dip coating, en anglais).
• Le revêtement à la tournette (spin coating, en anglais).
• Le revêtement par pulvérisation (spray coating, en anglais).
Pour réaliser directement la structure multicouche, la technique du revêtement "à la goutte" (drop- coating, en anglais) peut être utilisée [8,9] : une solution colloïdale est déposée à la surface du substrat hydrophile et l'évaporation lente du solvant résulte une structure ordonnée de particules. Cette technique est difficile à contrôler sur de grandes surfaces et dans le cas où des particules de différentes natures ou fonctionnalisations sont utilisées, elle ne permet pas de contrôler la composition des couches formant la structure multicouches.
La photolithographie est un procédé classique largement utilisé en microélectronique pour fabriquer des systèmes microniques. Les étapes du procédé de photolithographie, débutent par l'application d'un matériau photosensible et la formation d'une couche mince sur la surface d'un substrat (silicium, polymères, ...).
Le dépôt du matériau photosensible peut être effectué de plusieurs façons.
Après un recuit thermique, cette couche imprégnée de matériau photosensible est ensuite exposée, partiellement, à une radiation lumineuse. Lors de cette deuxième étape du procédé, l'utilisation d'un masque, constitué de zones opaques et transparentes au rayonnement lumineux, permet de définir le motif géométrique que l'on souhaite reproduire sur le substrat.
Le principe de la photolitho graphie repose sur la capacité des matériaux photosensibles à voir leur solubilité évoluer en fonction de la quantité de radiations lumineuses absorbées.
Plusieurs matériaux photosensibles sont envisageables et doivent être sélectionnés selon leurs compatibilités avec les particules fonctionnalisées : quel que soit le matériau utilisé, il doit être neutre par rapport à la fonctionnalisation des particules, fonctionnalisation qui a été réalisée pour détecter l'analyte voulue, soit de la même famille ou composition que la fonctionnalisation effectuée sur les particules, soit amener un élément complémentaire.
Les matériaux envisageables sont :
- Les résines :
o les résines positives, dont la partie illuminée est éliminée lors du développement, suite à la dégradation (photolyse) de la partie photosensible du composé photoactif (exemple le DiazoNaphtoQuinone DNQ) qu'elles contiennent et, - les résines négatives qui, au contraire, réticulent sous l'effet du rayonnement et dont les parties illuminées vont être insolubles dans les solvants utilisés pendant le développement.
- Les sol-gels qui peuvent se comporter comme des résines positives ou comme des résines négatives selon les matériaux les composant.
Le principe du procédé sol-gel, autrefois appelé « chimie douce », repose sur l'utilisation d'une succession de réactions d'hydrolyse-condensation, à température modérée, pour préparer des réseaux d'oxydes, qui peuvent être à leur tour traités thermiquement.
Les hybrides sol-gel organique-inorganique permettent d'obtenir des microstructures chimiquement homogène. Les synthèses de matériaux hybrides organique-inorganiques sont largement décrites dans la littérature. On peut utiliser, par exemple, des sol-gels à base de MAPTMS (MéthAcryloxyPropylTriMéthoxySilane) et de ZPO (Zirconium PropOxyde). Un photo-initiateur (comme des Irgacure® 369 ou 189 de CIBA), rajouté à la solution confère à cet hybride les propriétés photosensibles d'une résine négative et la variation de la concentration en ZPO permet de faire varier l'indice de réfraction entre 1,48 et 1,52.
Le schéma suivant illustre le principe de préparation de l'hybride sol-gel [2,10] :
Figure imgf000016_0001
Le matériau final comporte un réseau minéral et un réseau organique. Le réseau minéral est obtenu par hydrolyse et polycondensation des groupes alkoxydes tandis que le réseau organique est crée par polymérisation des doubles liaisons principalement C=C sous l'action des photons ultraviolets.
Ce réseau est représenté schématiquement ci-dessous [11] :
Figure imgf000017_0001
Généralement, l'étalement des matériaux photosensibles sur le substrat est réalisé par dépôt à la tournette. Ce procédé peut être envisagé mais il y a un fort risque de fragiliser la structure multicouche. Une autre solution consiste à imprégner la structure en immergeant lentement et progressivement le substrat. Par l'intermédiaire des forces capillaires, le matériau d'imprégnation rempli les interstices entre les particules.
Pour amorcer la réaction de réticulation, le matériau photosensible doit subir une exposition à la lumière, de préférence UV. Dans cette approche, la couche à însoler est considérée par l'homme du métier comme épaisse (>10 μηι). Des équipements sont actuellement en vente et permettent d'insoler de telles épaisseurs en utilisant la technique de masquage (ex : Q7000 mask aligner®, fournisseur Neutronix- Quintel) ou par écriture par écriture laser directe (ex : équipement DILASE®, fournisseur KLOE). La dose d'irradiation est ajustée en fonction de l'épaisseur du film. Elle est le produit du temps d'irradiation et de l'intensité de la lumière, de préférence UV.
Le matériau photosensible insolé est ensuite développé afin de révéler les microstructures. Cette phase repose sur la solubilisation des matériaux photosensibles dans un bon solvant ou des rinçages successifs avec le butanol et l'isopropanol pour les sol-gels hybrides.
Plusieurs méthodes existent pour le développement des résines. La plus courante est l'immersion avec agitation du bain mais on peut aussi trouver la vaporisation. Le développeur et le procédé de développement ne devront pas inhiber la fonctionnalisation des particules permettant la séparation des gaz et des fluides.
Un recuit de densifïcation et de relaxation des contraintes peut également être mis en œuvre. Il consiste en un traitement thermique. Ce traitement thermique ne sera pas forcément réalisé. Cependant, il permet d'activer la fin de réticulation du réseau polymère. De plus, lorsque des contraintes thermiques et des fissures apparaissent après le développement, ce recuit permet de relaxer les contraintes et de stabiliser la structure finale.
Quant au scellement de la colonne, d'une manière générale, le scellement industriel des microstructures est réalisé selon différentes voies :
Voie liquide : la société Sipix Imaging, Inc. a mis au point plusieurs méthodes originales [12,13] pour fermer les microcuves utilisées dans des écrans électrophorétiques, toutes basées sur le principe d'immiscibilité entre deux liquides.
Voie solide : Les adhésifs sensibles à la pression (PSA) (Pressure
Sensitive Adhésif, en anglais) sont des matériaux visco élastiques, élastomériques qui peuvent adhérer fortement sur une surface solide en appliquant une pression faible et un temps de contact faible. L'intégration d'oligomères sensibles aux UV et de photoinitiateurs dans la formulation des colles permet d'obtenir des adhésifs PSA réticulables par UV [14]. Quand aux adhésifs thermofusibles, ils sont déposés à l'état fondu (faible viscosité) et leur cohésion est assurée lors du refroidissement.
Le capot noté 7 en figure 2 utilisé pour ce scellement est un capot recouvert sur sa face scellée d'une couche de particules 8 identiques ou différentes de celle constituant la couche 3.
Grâce au procédé de l'invention, les effets de "bord", en particulier sont supprimés.
La colonne d'analyse de chromatographie ainsi obtenue comprend au moins une paroi longitudinale constituée de particules de phase stationnaire, éventuellement fonctionnalisées, imprégnées d'un matériau photosensible à un rayonnement lumineux réticulé, comme on le voit en figure 2,
Afin de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, deux modes de mise en œuvre. Exemple 1 : un substrat en silicium ayant un diamètre de 7,62 cm (3 pouces) comportant une couche de silice de 100 nm d'épaisseur obtenue par croissance thermique a subi une étape al) d'acfivation de la surface par traitement Brown c'est-à-dire trempage dans un bain de soude 0, 1 N.
Des particules de silice d'un diamètre de Ιμηι fonctionnalisées par trempage de 5,6-époxyhexyltriéthoxysilane 5mM dans du toluène à 80°C pendant 16 heures, puis rinçage avec de l'eau distillée et séchage à 110°C pendant 3 heures, ont été déposées par la méthode de Langmuir-Blodgett. Un traitement thermique à 110°C pendant 3 heures a été effectué sur le substrat revêtu de la première couche de particules,
En raison de l'activation du substrat qui comporte des liaisons OH, la première couche de particules fonctionnalisée avec le 5,6- époxyhexyltriéthoxysilane crée des liaisons covalentes entre les particules et le substrat. Pour fixer cette première couche sur le substrat, un traitement thermique à 110°C pendant 3 heures a été effectué.
50 couches des mêmes particules que précédemment ont été déposées par la méthode de Langmuir-Blodgett, à une vitesse de tirage de 1 cm/min.
Puis l'empilement de couches a été imprégné avec une résine photosensible positive, la TELR-P0003PM commercialisée par la société TOK Europe (Tokyo ohka kogyo co.ltd), par dépôt à la tournette à 1000 rpm pendant 1 min.
L'empilement de couches a été stabilisé par un recuit thermique à 110°C pendant 2 min.
Puis l'ensemble obtenu a été insolé par un rayonnement UV de longueur d'ondes de 365 nm, à 200 MJ/cm pendant 15 secondes.
La résine a ensuite été développée, c'est-à-dire que les zones de résine insolée ont été éliminées par immersion dans du TMA 238 WA commercialisé par la société JSR. Le TMA contient de l'hydroxyde de tétraméthylamonium. L'immersion a duré quelques secondes. Le substrat revêtu des couches a été ensuite rincé à l'eau. L'insolation a été effectuée grâce à un équipement laser MA750 émettant des longueurs d'ondes de 365 nm.
Le substrat revêtu de couches de particules comportant en creux la forme de la microcolonne voulue a été traitée thermiquement à 110°C pendant lh. Un capot revêtu sur une de ces faces par une couche des mêmes particules que décrites ci-dessus a été scellé grâce à un adhésif, à 1 10°C pendant 30 min puis 160°C pendant 1 heure sous vide.
Exemple 2 :
Dans cet exemple, le capot de scellement a été recouvert de particules par le procédé suivant :
Un substrat en silicium de 7,62 cm (3 pouces) de diamètre revêtu d'une couche de 100 nm de silice a été activé par traitement Brown c'est-à-dire plongé dans un bain de soude à 0,1 N.
Des particules de silice d'un diamètre moyen de Ιμηι ont été fonctionnalisées avec du 5,6-époxyhexyltriéthoxysilane en solution à 5 mM dans toluène à 80°C pendant 16 heures. Le substrat a été rincé à l'eau distillée, puis recuit pour séchage à 110°C pendant 3 heures.
Les particules fonctionnalisées ont été déposées sur une surface du substrat par la méthode de Langmuir-Blodgett à une vitesse de tirage de 1 cm/min.
Cette première couche de particules a ensuite été traitée thermiquement à 110°C pendant 3 heures pour ancrer cette couche sur le substrat par établissement de liaisons covalentes comme à l'exemple 1.
Ensuite, 50 couches de particules identiques à celles déposées pour la première couche ont été déposées par la méthode de Langmuir-Blodgett à une vitesse de tirage de 1 cm/min.
Références
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Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une colonne d'analyse de chromatographie du type tube ouvert à couche poreuse caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
a) dépôt d'une première couche (2) de particules identiques ou différentes destinées à former la couche stationnaire, sur la surface plane d'un substrat b) dépôt d'au moins une seconde couche (12) de particules en assemblage compact sur la couche (2),
c) imprégnation des couches (2, 12) avec un matériau sensible à un rayonnement lumineux (4) pour former au moins deux couches (3) de particules en assemblage compact imprégnées de matériaux sensibles,
d) insolation des couches (3) dans les zones correspondant à la forme interne voulue de la colonne d'analyse de chromatographie, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine positive, ou détourant cette forme interne, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine photosensible négative,
e) élimination :
- des zones insolées à l'étape d), lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine photosensible positive, ou
- des zones non insolées à l'étape d), lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine photosensible négative, et f) recouvrement et scellement de la structure obtenue à l'étape e) avec un capot (7) recouvert sur sa face tournée vers les couches (3) d'au moins une couche de particules en assemblage compact identiques ou différentes à celles déposées sur la surface du substrat (1).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus, avant l'étape a), une étape al) d'activation de ladite surface du substrat (1), de préférence par plasma O2, UV, un mélange d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène, ou de l'ozone.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus, après l'étape al) d'activation de ladite surface du substrat (1), une étape a2) de recuit thermique de ladite surface du substrat (1) ayant subi l'étape al).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend de plus, après l'étape c) d'imprégnation des couches
(2) , une étape cl) de recuit thermique du substrat (1) et des couches (3).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend de plus, après l'étape d) d'insolation des couches (3), une étape dl) de recuit thermique du substrat (1) revêtu des couches (3) insolées.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend de plus, après l'étape e) d'élimination des zones insolées ou non insolées, une étape el) de recuit du substrat (1) recouvert des couches
(3) dont certaines zones ont été éliminées.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une étape de formation d'au moins une couche de particules en assemblage compact sur une face du capot (7).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites particules ont un diamètre moyen compris entre 50nm et 500μιη inclus.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur totale des couches (2, 12) est comprise entre 50 et 700μηι inclus.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules sont des particules en un oxyde métallique ou en une céramique, ou en un polymère, ou en un polysaccharide, ou en un métal, de préférence les particules sont en un matériau choisi parmi la silice, le dioxyde de titane, l'alumine, le latex, le polydiméthylsiloxane (PDMS), l'or, le cuivre, et les mélanges de ceux-ci, ces particules étant éventuellement fonctionnalisées.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape a) est réalisée par la méthode de Langmuir-Blodgett, ou par la méthode de Langmuir-Schaefer, ou par auto-assemblage de Marangoni, ou par la méthode vortique de surface, ou par transfert par flottement, ou par revêtement par trempage, ou par revêtement à la tournette.
12. Procédé selon Tune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine positive et est sensible à un rayonnement de longueurs d'ondes comprises entre 150 et 700 nm inclus.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine négative et est sensible à un rayonnement de longueurs d'ondes comprises entre 150 et 700 nm inclus.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) est obtenu par un procédé sol-gel.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape b) est réalisée par dépôt à la tournette du matériau sensible au rayonnement lumineux (4), sur la couche (2), ou par immersion du substrat (1) revêtu de la couche (2) dans le matériau sensible au rayonnement lumineux (4).
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape c) d'insolation des couches (3) avec le rayonnement lumineux (4) est effectuée au travers d'un masque (11) comportant des zones transparentes audit rayonnement lumineux (4), ces zones transparentes correspondant à :
- la forme interne voulue de la colonne d'analyse de chromatographie, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine positive, ou
- détourant cette forme interne lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine négative.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'étape c) d'insolation des couches (3) est effectuée par écriture laser pour former la forme interne voulue de la colonne, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine positive, ou dans les zones détourant cette forme interne, lorsque le matériau sensible au rayonnement lumineux (4) se comporte comme une résine négative.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est rigide ou souple, et en un matériau choisi parmi un oxyde métallique, un métal, une céramique ou un polymère.
19. Colonne d'analyse de chromatographie caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat (1) dont une surface plane est revêtue d'au moins une couche (3) de particules, cette couche (3) de particules, éventuellement fonctionnalisées, comprenant une zone (5) dépourvue des particules et formant la partie interne de la colonne et en ce que au moins une paroi de la colonne consiste en un mélange desdites particules, éventuellement fonctionnalisées, et d'un matériau sensible à un rayonnement lumineux, réticulé.
20. Colonne selon la revendication 19, caractérisée en ce que les particules sont des particules en un oxyde métallique, polymère, polysaccharide, métal, ou céramique, de préférence en un matériau choisi parmi la silice, l'alumine, l'oxyde de titane, le latex, le polydiméthylsiloxane (PDMS), l'or, le cuivre, ou des mélanges de ceux-ci, ces particules étant éventuellement fonctionnalisées.
21. Colonne selon la revendication 19 ou 20, caractérisée en ce que les particules ont un diamètre moyen compris entre 50 nm et 500μπι inclus.
22. Colonne selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisée en ce que le substrat (1) est souple ou rigide et est en un matériau choisi parmi un oxyde métallique, un métal, une céramique ou un polymère.
23. Dispositif caractérisé en ce qu'il comprend une colonne d'analyse de chromatographie obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18 ou une colonne d'analyse de chromatographie selon l'une quelconque des revendications 19 à 22.
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