Brevet FR2830777A1 — publié le 20030418

DISPOSITIF MICRO-FLUIDIQUE POUR LA MANIPULATION D'UN LIQUIDE NON MAGNETIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif microfluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique. Un tel dispositif peut être utilisé dans le domaine des biopuces, dans l'industrie pharmaceutique et la chimie fine. Il peut aussi être utilisé pour la manipulation de liquides dangereux. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les dispositifs utilisant des fluides magnétiques pour la manipulation de petits volumes de fluides non magnétiques font tous appel à un principe de pompage dans des tubes fixes préexistants ou formés dans un substrat. Le brevet des Etats-Unis NO 5 005 639 est représentatif de ce principe. Dans ce genre de dispositifs, le déplacement du fluide non magnétique se restreint à une seule dimension, voire à un seul sens. D'autres dispositifs, tels que celui décrit dans la demande internationale WO 99/58 245, s'ils ne comportent pas de canaux parois solides, ne permettent de déplacer un volume de fluide que suivant un chemin linéaire prédéfini par la structuration des surfaces de déplacement. Le liquide objet de la manipulation ne peut se déplacer que dans la dimension définie par ces chemins. De plus, la commande magnétique n'est envisagée que dans le cas où un liquide magnétique est l'objet de la manipulation (blocage de ce dernier par des vannes magnétiques). Le liquide magnétique n'est pas utilisé pour manipuler un autre liquide non magnétique. On connaît aussi des dispositifs microfluidiques actifs (valves, pompes, etc. ) fabriqués par les technologies MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) mettant en oeuvre des techniques de microusinage et d'assemblage de substrats et de couches minces. On peut se reporter à ce sujet à l'article "Micro-systems in biomedical applications"de P. DARIO et al., paru dans J. Micromech. Microeng. 10 (2000), pages 235-244. Ces dispositifs microfluidiques actifs comportent des pièces mécaniques mobiles difficiles à réaliser et ayant une durée de vie limitée. En outre, aucun de ces dispositifs n'est entièrement reconfigurable d'une utilisation à l'autre, ni en cours d'utilisation. EXPOSÉ DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients présentés par les dispositifs de l'art antérieur, il est proposé un dispositif micro-fluidique actif, reconfigurable, utilisant un liquide magnétique pour former une paroi pour un volume de liquide non magnétique à manipuler. Cette paroi est formée par création d'une déformation dans le volume de liquide magnétique. Cette déformation permet à un liquide non magnétique et non miscible avec le liquide magnétique (ou à plusieurs liquides non magnétiques et non miscibles avec le liquide magnétique) de s'intégrer dans le dispositif. Ce liquide non magnétique (ou ces liquides non magnétiques) peut être appelé liquide contenu (ou liquides contenus). Par gestion des moyens magnétiques, il est possible de provoquer le déplacement ou la transformation (fractionnement, mélange, etc. ) du volume de liquide contenu. L'invention a donc pour objet un dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, comprenant au moins une cellule comprenant : - une enceinte assurant le confinement d'un liquide magnétique non miscible avec le liquide non magnétique à manipuler, - des moyens d'introduction du liquide non magnétique dans l'enceinte, - des moyens d'évacuation du liquide non magnétique hors de l'enceinte, - des moyens magnétiques associés à l'enceinte et permettant d'appliquer localement au liquide magnétique un champ magnétique dont le profil d'énergie présente une dépression provoquant, par refoulement du liquide magnétique, au moins un volume de réception du liquide non magnétique, ledit champ magnétique pouvant être déplacé pour permettre une manipulation du liquide non magnétique entre lesdits moyens d'introduction et lesdits moyens d'évacuation. Les moyens d'introduction du liquide non magnétique peuvent comprendre au moins un orifice d'entrée. Les moyens d'évacuation du liquide non magnétique peuvent comprendre au moins un orifice de sortie. Les moyens magnétiques peuvent comprendre au moins un aimant permanent et/ou au moins un élément électromagnétique fixe ou mobile. Avantageusement, la cellule comprend une enceinte plate, constituée à partir de deux plaques parallèles confinant le liquide magnétique sous la forme d'une nappe. Les moyens magnétiques peuvent être supportés par au moins l'une des deux plaques et/ou intégrés à au moins l'une des deux plaques. Au moins l'une des plaques a sa face interne à la cellule traitée pour faciliter la manipulation du liquide non magnétique et/ou du liquide magnétique. Les moyens magnétiques peuvent comprendre un matériau magnétique inscriptible. Ce matériau magnétique inscriptible (bande ou disque magnétique) peut être transformé en aimant permanent de forme choisie par une opération d'écriture du même type que celle utilisée pour le stockage de données. Cette opération peut être réalisée avant l'assemblage de l'enceinte de confinement ou après, juste avant la manipulation. Les moyens magnétiques peuvent aussi comprendre au moins une matrice d'éléments électromagnétiques adressables et/ou commutables individuellement. Ils peuvent être fixes ou mobiles. Selon une première variante de réalisation, les moyens magnétiques comprennent au moins un aimant permanent tubulaire d'axe perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique et d'aimantation perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique. Le volume de réception du liquide non magnétique correspond alors à la dépression d'énergie magnétique existant dans l'axe de l'aimant permanent tubulaire. Selon une deuxième variante de réalisation, les moyens magnétiques comprennent deux barrettes aimantées, parallèles entre elles et d'aimantation perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique. Le volume de réception du liquide non magnétique correspond alors à la dépression d'énergie magnétique existant entre les deux barrettes. Ce dispositif peut comprendre en outre des moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées entre au moins une première position et une deuxième position. Les moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées peuvent provoquer un déplacement par rotation et/ou par translation des deux barrettes aimantées. Les deux barrettes aimantées peuvent posséder des moyens provoquant au moins une restriction localisée du volume de réception du liquide non magnétique, les moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées provoquant, par le déplacement de ces barrettes, la propulsion du liquide non magnétique contenu dans le volume de réception. Le dispositif peut comprendre au moins deux cellules adjacentes, des moyens d'évacuation du liquide non magnétique de la cellule communiquant avec des moyens d'introduction du liquide non magnétique de la cellule adjacente. Deux cellules adjacentes peuvent posséder une plaque commune et être ainsi superposées. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente un diagramme montrant un profil d'énergie d'un champ magnétique exploité par la présente invention, - la figure 2 est une vue partielle, en perspective, d'un premier dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, selon l'invention, - la figure 3 est une vue partielle, en perspective d'un deuxième dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, selon l'invention, - la figure 4 est une vue explicative du fonctionnement d'un dispositif micro-fluidique permettant la projection d'un liquide non magnétique, selon l'invention, - la figure 5 est une vue de dessus d'un autre dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, selon l'invention, - la figure 6 est une vue en perspective des principales parties d'encore un autre dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, selon l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION La figure 1 représente un diagramme montrant un profil d'énergie ECM d'un champ magnétique en fonction d'une direction x. Un tel profil d'énergie permet la déformation d'un liquide magnétique soumis à ce champ magnétique. Le liquide magnétique a tendance à quitter la zone où l'énergie du champ magnétique est faible pour sa périphérie, où l'énergie du champ magnétique est forte, laissant la place libre à un autre liquide non magnétique et non miscible avec le liquide magnétique. Ce liquide non magnétique est alors confiné par des parois de liquide magnétique. Les liquides magnétiques utilisables par l'invention sont constitués de particules magnétiques solides en suspension dans une matrice liquide aqueuse (liquides magnétiques ioniques) ou huileuse (liquides magnétiques huileux). Les liquides non magnétiques manipulables, ou liquides contenus, sont des solutions contenant ou non des particules en suspension. Ces particules peuvent être solides (matériaux non magnétiques), biologiques (inertes ou vivantes) ou un assemblage des deux. Le dispositif selon l'invention est reconfigurable puisque les parois du liquide magnétique contenant peuvent être modifiées à volonté, selon un choix préétabli. En particulier, le volume de liquide magnétique peut être délimité par deux plaques solides, parallèles entre elles, formant une cellule de manipulation de fluides non magnétiques. La figure 2 est une vue partielle et en perspective d'une telle cellule. Elle montre deux plaques planes 1 et 2, parallèles entre elles et espacées d'une distance submillimétrique. La cellule comporte, à titre d'exemple, un capillaire d'entrée 3 aboutissant perpendiculairement sur la plaque 1 et un capillaire de sortie 4 parallèle au plan de la cellule. La cellule est remplie d'un liquide magnétique 5 non miscible avec le fluide à manipuler. Le liquide magnétique 5 forme une nappe. La cellule est fermée sa périphérie par des éléments non représentés. La cellule est conçue de façon à recevoir une certaine quantité de fluide magnétique et à pouvoir y créer un volume de réception de fluide non magnétique. Par exemple, les plaques 1 et 2 peuvent être en un matériau choisi pour permettre une augmentation du volume interne de la cellule. En créant un champ magnétique de façon à avoir une faible énergie de champ magnétique dans un volume de fluide non magnétique et non miscible à manipuler, et une énergie de champ magnétique élevée autour de ce volume de fluide non magnétique, où le liquide magnétique a tendance à aller, on obtient le confinement du volume du fluide à manipuler par une paroi de liquide magnétique. Comme le montre la figure 2, le profil de champ magnétique peut être obtenu par un aimant permanent tubulaire 6 placé par exemple sous la plaque 2. Il se crée, dans l'axe de l'aimant tubulaire, un trou d'énergie de champ magnétique permettant de confiner, par les parois formées par le liquide magnétique 5, une goutte 7 de fluide non magnétique. En déplaçant l'aimant 6 sous la plaque 2, le profil d'énergie du champ magnétique se déplace également, ainsi que la paroi de liquide magnétique. On peut ainsi amener la goutte 7, par un chemin désiré, depuis le capillaire d'entrée 3 jusqu'au capillaire de sortie 4. Le déplacement des parois de liquide magnétique peut s'effectuer dans deux dimensions et dans une direction quelconque choisie par le manipulateur. L'aimant 6 peut être réalisé au moyen d'un tube d'acier de diamètre intérieur 3 mm et de diamètre extérieur 10 mm posé sur un aimant cylindrique en NdFeB de 10 mm de diamètre. Le champ magnétique mis en oeuvre est par exemple de 0,12 T. Ce champ magnétique permet de déplacer une goutte de liquide non magnétique et non miscible de 3 mm de diamètre (c'est-à-dire moins de 4 gl) dans une nappe de liquide magnétique, dans n'importe quelle direction du plan de la nappe. La goutte de liquide contenu est formée sous le capillaire d'entrée 3 par pression, ce capillaire étant relié à une seringue de liquide non magnétique installée dans un pousse-seringue. Une fois la goutte formée, son déplacement est géré magnétiquement. Il est possible alors de commander le déplacement d'une ou de plusieurs gouttes par exemple contenant des micro-objets solides (des micro-sphères par exemple) ou biologiques (des cellules par exemple) en suspension dans une solution. La figure 3 est une vue partielle et en coupe d'un autre dispositif selon la présente invention. La cellule du dispositif comprend, comme pour le dispositif précédent, deux plaques 11 et 12 de confinement d'un liquide magnétique 15 non miscible avec le liquide non magnétique à manipuler. Deux barrettes aimantées 13 et 14, parallèles entre elles, sont disposées sous la plaque 12. Leur aimantation est perpendiculaire au plan de la cellule. Il se forme alors, dans la nappe de liquide magnétique, au-dessus de l'espace compris entre les barrettes 13 et 14, un canal exempt de liquide magnétique. Ce canal se forme dès qu'on fait circuler un liquide non magnétique. En déplaçant conjointement les barrettes 13 et 14 sous la plaque 12, les parois de liquide magnétique se déplacent. On obtient un aiguilleur micro-fluidique en basculant par exemple le canal d'un axe capillaire d'entrée 16/capillaire de sortie 17 vers un axe capillaire d'entrée 16/capillaire de sortie 18. Différents dispositifs micro-fluidiques configurables, fixes ou mobiles, peuvent être envisagés conformément à l'invention, utilisant différentes géométries ou configurations d'aimants ou d'électroaimants fixes ou mobiles : canaux rectilignes, courbes, avec ou sans restriction, aiguilleur, commutateur, mélangeur, etc. Une restriction d'un canal délimité par les parois d'un liquide magnétique peut être obtenue à l'aide de deux barrettes 23 et 24 (voir la figure 4 qui représente une restriction vue de dessus). Les barrettes 23 et 24 possèdent deux prolongements perpendiculaires, respectivement 27 et 28, qui provoquent une restriction du canal contenant le liquide non magnétique 25. En déplaçant les barrettes 23 et 24, on peut obtenir une propulsion du fluide non magnétique compris au voisinage de l'espace défini par ces barrettes. Les plaques délimitant la cellule peuvent être choisies de façon que leurs parois internes à la cellule soient chimiquement ou biologiquement compatibles avec les liquides à manipuler. Il en va de même pour le liquide magnétique. Les plaques peuvent être en polymère, en verre, en silicium ou comprendre des couches minces telles que celles utilisées en micro-technologie. Les plaques d'une même cellule peuvent être identiques ou de natures différentes. Elles peuvent être constituées d'un assemblage de matériaux, certains matériaux les constituant pouvant aussi participer à la constitution des moyens magnétiques. Les plaques peuvent être rigides ou non. Le déplacement du liquide magnétique ou du liquide non magnétique contenu peut être facilité en contrôlant l'hydrophobie des surfaces internes des plaques, par la maîtrise de la nature de ces surfaces, par exemple en déposant une couche mince d'un matériau approprié ou en créant une rugosité micro-structurée. Les entrées et les sorties des cellules peuvent être reliées à d'autres cellules, coplanaires ou superposées, ou à un réservoir de liquide magnétique, permettant la réalisation de dispositifs micro-fluidiques complexes en trois dimensions. En particulier, deux cellules peuvent être superposées, leur séparation étant constituée par une plaque commune aux deux cellules et pouvant être percé de trous reliant ces deux cellules. Les entrées et sorties des cellules peuvent être des capillaires, des cônes de pipettes ou tout autre montage généralement utilisé en micro-fluidique. Le déplacement du liquide contenu peut se faire dans deux dimensions et dans n'importe quelle direction. L'invention permet une simplification de la technologie micro-fluidique (pas de gravure de microcanaux, pas de pièces solides mobiles en contact avec le liquide non magnétique) et donc une plus grande fiabilité. Le liquide à manipuler étant contenu par le liquide magnétique, il n'y a pas de problème d'évaporation, même pour de très faibles volumes. Les dispositifs selon l'invention permettent la manipulation de liquides ne présentant pas de propriétés diélectriques particulières (cas du pompage électro-osmostique). La figure 5 représente, vu de dessus, un exemple de réalisation de la cellule d'un dispositif selon l'invention. Cette cellule comprend une plaque supérieure 31 en plexiglas usiné de 2 mm d'épaisseur. La plaque inférieure, non visible sur le dessin, est un film plastique autocollant Hybriwell, généralement utilisé en microscopie optique, d'épaisseur 170 m et collé à la plaque supérieure 31 par un joint de colle périphérique 33 de 120 jj. m d'épaisseur. La taille de la cellule est de 64 mm x 25,5 mm. Les surfaces en regard des plaques inférieure et supérieure sont traitées pour être hydrophobes. La cellule de la figure 5 comprend deux entrées 32 et 34 et trois sorties 35,36 et 37 de 400 fim de diamètre pratiquées dans la plaque supérieure 31, dans lesquelles sont collés des capillaires non représentés de diamètre extérieur 380 Mm et de diamètre intérieur 250 Mm. En plaçant deux barrettes aimantées 38 et 39 en NdFeB sous la cellule, on crée, par variation de l'énergie du champ magnétique, un canal exempt de liquide magnétique qui se forme entre les plaques supérieure et inférieure en poussant un liquide non magnétique non miscible avec le liquide magnétique, d'une entrée vers une sortie. L'aimantation des barrettes est perpendiculaire à la surface des plaques. Le champ magnétique est d'environ 0,27 T. Les barrettes 38 et 39 créent par exemple un canal entre l'entrée 32 et la sortie 36. Par rotation autour de l'axe de l'entrée 32, le canal peut basculer entre l'entrée 32 et la sortie 35. Par translation, le canal peut glisser de la direction entrée 32-sortie 36 à la direction entrée 34-sortie 37. Le liquide non magnétique peut être poussé dans le capillaire d'entrée et dans le canal par une seringue installé dans un pousse-seringue. On peut imaginer différentes géométries d'aiguilleurs ou de commutateurs micro-fluidiques basées sur le déplacement d'aimants permanents, permettant le déplacement de canaux à parois liquides depuis une ou plusieurs entrées vers une ou plusieurs sorties. La figure 6 montre un aiguilleur circulaire à une entrée centrale 45 et plusieurs sorties périphériques 46 réalisées sur la plaque supérieure 41. Une nappe de liquide magnétique non représentée est confinée entre la plaque supérieure 41 et la plaque inférieure 42. Sous la plaque inférieure 42 sont disposés deux barrettes aimantées 43 et 44, parallèles entre elles, dont l'aimantation est perpendiculaire au plan de la cellule. Les barrettes aimantées 43 et 44 sont conjointement mobiles en rotation autour de l'axe de l'entrée centrale 45. La rotation conjointe des barrettes aimantées 43 et 44 permet la création d'un canal entre l'entrée centrale 45 et l'une quelconque des sorties 46. Le dispositif selon l'invention peut mettre en oeuvre une matrice d'aimants ou d'électro-aimants adressables et/ou commutables individuellement. Ce type de matrice permet d'envisager un composant microfluidique générique, éventuellement programmable, configurable à volonté et dans lequel on peut manipuler des parois de liquide magnétique pour créer des canaux de forme plus ou moins complexe (en serpentin par exemple), des aiguilleurs ou des injections. Les parois du liquide magnétique peuvent aussi être manipulées pour déplacer, mélanger ou fractionner des gouttes de liquide. Un même dispositif peut remplir une ou plusieurs des fonctions annoncées ci-dessus et être associé à des fonctions de chauffage, de stimulation (électrique, optique, chimique ou biologique) ou de détection. En amenant par exemple la quantité de liquide contenu à l'aplomb d'un capillaire, on peut y injecter un réactif ou aspirer tout ou partie du liquide contenu. Le liquide contenu peut aussi être amené à l'aplomb d'une ou de plusieurs électrodes pour y appliquer une stimulation électrique. Le liquide contenu peut aussi être amené à l'aplomb d'une zone à température contrôlable (activation ou inhibition d'une réaction chimique ou biologique dans une goutte de réactif par exemple). En amenant le liquide contenu à l'aplomb d'un dispositif optique, on peut (par une fenêtre dans la cellule, transparente à une certaine longueur d'onde ou par une fibre optique) activer ou détecter un signal optique, par exemple par fluorescence. REVENDICATIONS 1. Dispositif micro-fluidique pour la manipulation d'un liquide non magnétique, comprenant au moins une cellule comprenant : - une enceinte assurant le confinement d'un liquide magnétique (5,15) non miscible avec le liquide non magnétique (7) à manipuler, - des moyens d'introduction (3,16, 32,34, 45) du liquide non magnétique dans l'enceinte, - des moyens d'évacuation (4,17, 35,36, 37,46) du liquide non magnétique hors de l'enceinte, - des moyens magnétiques (6, 13,14, 38,39, 43,44) associés à l'enceinte et permettant d'appliquer localement au liquide magnétique un champ magnétique dont le profil d'énergie présente une dépression provoquant, par refoulement du liquide magnétique, au moins un volume de réception du liquide non magnétique, ledit champ magnétique pouvant être déplacé pour permettre une manipulation du liquide non magnétique entre lesdits moyens d'introduction et lesdits moyens d'évacuation. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'introduction du liquide non magnétique comprennent au moins un orifice d'entrée (32,34). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'évacuation du liquide non magnétique comprennent au moins un orifice de sortie (35,36, 37). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent au moins un aimant permanent (6) et/ou au moins un élément électro-magnétique fixe ou mobile. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule comprend une enceinte plate, constituée à partir de deux plaques parallèles (1,2, 11,12, 31,41, 42) confinant le liquide magnétique sous la forme d'une nappe (5,15). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens magnétiques sont supportés par au moins l'une des deux plaques et/ou intégrés à au moins l'une des deux plaques. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins l'une des plaques a sa face interne à la cellule traitée pour faciliter la manipulation du liquide non magnétique et/ou du liquide magnétique. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent un matériau magnétique inscriptible. 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent au moins un aimant permanent tubulaire (6) d'axe perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique (5) et d'aimantation perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique. 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent deux barrettes aimantées (13,14, 38,39, 43,44), parallèles entre elles et d'aimantation perpendiculaire à la nappe de liquide magnétique (15). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées entre au moins une première position et une deuxième position. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées provoquent un déplacement par rotation et/ou par translation des deux barrettes aimantées. 13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les deux barrettes aimantées (23, 24) possèdent des moyens (27,28) provoquant au moins une restriction localisée du volume de réception du liquide non magnétique, les moyens pour déplacer conjointement les deux barrettes aimantées provoquant, par le déplacement de ces barrettes, la propulsion du liquide non magnétique contenu dans le volume de réception. 14. Dispositif selon les revendications 1 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux cellules adjacentes, des moyens d'évacuation du liquide non magnétique d'une cellule communiquant avec des moyens d'introduction du liquide non magnétique de la cellule adjacente. 15. Dispositif selon la revendication 14 caractérisé en ce que deux cellules adjacentes possèdent une plaque commune. 16. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent au moins une matrice d'éléments électromagnétiques adressables et/ou commutables individuellement.