Brevet FR2848125A1 — publié le 20040611

Dispositif microfluidique dans lequel l'interface liquide/fluide est stabilisée. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif microfluidique comportant au moins un microcanal destiné à contenir au moins un liquide et au moins un fluide non miscible avec le liquide et des moyens de stabilisation de l'interface entre le liquide et le 10 fluide, ledit micro-canal étant délimité par des parois inférieure, latérales et supérieure. tat de la technique Les microlaboratoires ou dispositifs microfluidiques, plus connus sous les noms anglo-saxons de " g-TAS " (micro Total Analysis System) ou de " Lab-on-achip ", sont utilisés pour réaliser des opérations chimiques ou biologiques, sur des échantillons de très petits volumes. Ces volumes sont, par exemple, d'un 20 ordre de grandeur compris entre le nanolitre et le microlitre. Il est ainsi connu d'utiliser des dispositifs microfluidiques pour réaliser des mélanges, des séparations, des contrôles de température, des réactions ou des extractions par solvant. A cette échelle, une des difficultés principales générée par la mise en contact de deux phases non miscibles entre elles et, plus particulièrement, lors du transfert de masse entre les deux phases, dans le cas d'une extraction par solvant par exemple, est la stabilisation de l'interface entre les deux phases. Il existe différentes méthodes de stabilisation d'interfaces liquide/liquide ou liquide/gaz. Ainsi, dans des dispositifs de plus grande échelle, il est connu de stabiliser l'interface entre deux phases non miscibles, grâce à une membrane poreuse. A titre d'exemple, le document WO-A-9612540 décrit un dispositif et un 5 procédé permettant le transfert de solutés entre deux phases fluides non miscibles, à travers une membrane poreuse plane destinée à stabiliser l'interface entre les deux phases fluides. Cette technique a été adaptée à l'échelle des microlaboratoires, comme le 10 mentionne le document " Fabrication of components and systems for chemical and biological microreactors " de W. Ehrfeld and al. (Microreaction technology, IMRET1, 1997, pages 72-90). Ce document décrit l'utilisation de membranes très fines et sélectives, dans des microlaboratoires, pour réaliser des extractions et des filtrations. Il est également connu de modifier les propriétés de surface d'un microcanal dans lequel deux phases non miscibles entre elles sont introduites. Ainsi le document " Surface-directed liquid flow inside microchannels " de Bin Zhao et al. (Science, Vol 291, 2001, pages 1023-1026), décrit une méthode de 20 stabilisation d'interface dans un micro-canal. Des zones prédéterminées du fond du micro-canal sont traitées chimiquement, de manière à modifier les propriétés de mouillabilité des zones, ce qui impose des chemins particuliers aux deux phases. Chaque phase reste, en effet, localisée sur la zone qui lui correspond le mieux d'un point de vue mouillabilité. Cette technique est, notamment, utilisée 25 pour des applications o une grande surface de contact entre les deux phases est nécessaire mais elle est peu pratique à mettre en òuvre. Objet de l'invention L'invention a pour but un dispositif microfluidique dans lequel la zone de contact entre un liquide et un fluide, non miscibles entre eux, est stabilisée et est facile à 5 mettre en oeuvre, tout en conservant une surface de contact élevée entre le liquide et le fluide. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les moyens de stabilisation comportent au moins une électrode disposée sur au moins une partie d'une 10 première paroi du micro-canal, sur toute la longueur de celui-ci et au moins une contre-électrode disposée, sur toute la longueur du micro-canal, sur au moins une partie d'une seconde paroi, disposée en regard de l'électrode. Selon un développement de l'invention, la contre-électrode est disposée sur la 15 totalité de la seconde paroi. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'électrode et la contreélectrode sont respectivement disposées sur les parois inférieure et supérieure. Selon une autre caractéristique de l'invention, le fluide ou le liquide étant conducteur d'électricité, le dispositif microfluidique comporte des moyens d'isolation disposés entre l'électrode ou la contre-électrode et ledit fluide ou ledit liquide. Selon une autre caractéristique, le microcanal comporte, à au moins une extrémité, deux micro-canaux d'extrémité, destinés à être parcourus respectivement par le fluide et le liquide. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique, en coupe transversale, d'un dispositif microfluidique selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent respectivement différents modes de réalisation d'un micro-canal d'un dispositif microfluidique selon l'invention. Les figures 4 à 7 représentent schématiquement, en vue de dessus, différentes étapes d'introduction d'un liquide et d'un fluide dans un dispositif microfluidique selon l'invention. Les figures 8 à 11 sont des représentations schématiques de différentes étapes de réalisation d'un dispositif microfluidique selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation. Sur la figure 1, un dispositif microfluidique 1, notamment utilisé pour réaliser des extractions par solvant, comporte au moins un micro-canal délimité par une paroi inférieure 2 formée par un substrat 3, des parois latérales 4 formées sur le substrat et une paroi supérieure 5 parallèle au substrat. Le micro-canal est 25 destiné à mettre en contact un liquide et un fluide formant deux phases 6 et 7 non miscibles entre elles. Par fluide, on entend un liquide ou un gaz. Le micro-canal est une structure tridimensionnelle creuse présentant une longueur très grande par rapport à la hauteur. Dans le cas, o la longueur est très grande par rapport à la largeur, on parlera d'un micro- canal de structure tridimensionnelle linéique. A titre d'exemple, la longueur d'un micro-canal est, de préférence, de l'ordre de quelques millimètres à quelques centimètres, tandis que la largeur et la hauteur sont respectivement de l'ordre de quelques dizaines 5 à quelques centaines de micromètres. Le micro-canal peut également avoir une largeur très grande par rapport à sa hauteur, notamment lorsqu'il contient de nombreuses phases. On parlera alors d'un micro-canal de structure tridimensionnelle surfacique ou d'une micro-chambre. Pour stabiliser l'interface entre deux phases, le dispositif microfluidique comporte au moins une électrode disposée sur au moins une partie d'une première paroi du micro-canal, sur toute la longueur de celui-ci. Au moins une contre-électrode est disposée, sur toute la longueur du micro-canal, sur au moins une partie d'une seconde paroi. La partie de la seconde paroi qui 15 comporte la contre-électrode est disposée en regard de l'électrode. La contreélectrode peut, aussi, être disposée sur la totalité de la seconde paroi. La largeur de l'électrode et de la contre-électrode est, de préférence, de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres. Le dispositif microfluidique comporte, également, des moyens destinés à créer une différence de potentiel entre l'électrode et la contreélectrode. La différence de potentiel créé des forces dites électrostatiques qui modifient certaines propriétés de l'une des deux phases ou des deux phases, selon la sensibilité des phases vis-à-vis de ces forces. Ainsi, les forces peuvent être de différentes 25 natures, selon les caractéristiques du liquide et du fluide mis en contact. Elles peuvent, par exemple, modifier les caractéristiques de mouillage d'une des phases ou des deux phases par rapport à leur support. Dans ce cas, les forces sont appelées des forces d'électromouillage ou d'électrocapillarité. Il peut également s'agir de forces de volume ou diélectriques agissant sur des liquides diélectriques. La différence de potentiel créée permet de conserver la phase la plus sensible 5 aux forces créées, dans une zone délimitée par l'électrode et la partie de la contre-électrode disposée en regard de l'électrode, ce qui stabilise l'interface entre les deux phases, celle-ci pouvant être verticale ou horizontale selon la disposition des électrodes. Ainsi, si l'électrode et la contre-électrode sont respectivement disposées sur la paroi inférieure et la paroi supérieure, 10 l'interface est sensiblement verticale, tandis que si les électrodes sont disposées sur les parois latérales, l'interface est sensiblement horizontale. Sur la figure 1, l'électrode 9 est disposée sur une partie de la paroi inférieure 2 et la contre-électrode 10 est disposée sur l'ensemble de la paroi supérieure 5. 15 L'électrode 9 et la contre-électrode 10 sont, respectivement, en contact avec la phase 7 et les deux phases 6 et 7. L'électrode 9 et la partie de la contreélectrode 10 en regard de l'électrode 9 forment, alors, une zone prédéterminée dans laquelle se trouve la phase 7. Le dispositif comporte, également, une reprise de contact électrique 11 qui connecte l'électrode 9 à un générateur de tension 12, également connecté à la contre-électrode 10. La tension appliquée par le générateur est soit alternative, soit continue et elle est de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de Volts. Dans le cas d'une tension alternative, la fréquence électrique peut aller de 25 l'ordre de quelques dizaines de Hertz à quelques dizaines de mégaHertz. Les phases introduites dans le micro-canal, peuvent être immobiles ou en mouvement. Si les phases sont destinées à être en mouvement, le microcanal peut comporter, à au moins une extrémité, deux micro-canaux d'extrémité, destinés à être parcourus respectivement par le fluide et le liquide. Ainsi, sur la figure 2, le liquide et le fluide sont destinés à circuler dans un micro-canal 13. Celui-ci comporte des virages de manière à occuper moins de place qu'un micro-canal linéaire. Les extrémités du micro-canal 13 comportent, respectivement, un microcanal d'entrée 14 et un micro-canal de sortie 16, destinés respectivement à l'introduction et la sortie d'une première phase. De même, pour l'introduction et la sortie d'une seconde phase, les deux extrémités du micro-canal 13 10 comportent un micro-canal d'entrée 15 et un micro-canal de sortie 17. Les deux phases circulent, dans le micro-canal 13, sur des chemins délimités par l'électrode et la contre-électrode. Le chemin de la phase la plus sensible à la différence de potentiel créée entre l'électrode et la contre électrode est représenté par l'électrode 9 sur la figure 2. Celle-ci est disposée sur une partie 15 de la largeur de la paroi inférieure du micro-canal 13, sur toute la longueur de celui-ci, ainsi que sur toute la longueur et la largeur des micro-canaux d'entrée et de sortie 15 et 17. Les deux phases peuvent circuler dans le même sens ou en sens contraire. Selon des variantes de réalisation, le dispositif microfluidique peut comporter une pluralité de micro-canaux disposés en série ou en parallèle. Ainsi, sur la figure 3, le micro-canal 13 selon la figure 2 est relié à un second micro-canal 18 de même géométrie. Le second micro-canal 18 comporte un micro-canal d'entrée 19 destiné à introduire une troisième phase et un micro-canal d'entrée 25 20 pour l'introduction de la première phase. Le micro-canal d'entrée 20 est connecté au micro-canal de sortie 16, de manière à permettre le passage de la première phase, du premier micro-canal 13 au second micro-canal 18. Ceci permet de réaliser un second transfert de masse entre la première et la troisième phases, la seconde phase du premier micro-canal 13 étant évacuée par le micro-canal de sortie 17. La mise en série de plusieurs micro-canaux permet, ainsi, de réaliser plusieurs extractions successives, tandis que la mise en parallèle de plusieurs micro-canaux permet de réaliser simultanément plusieurs extractions. Les deux phases peuvent être injectées dans le dispositif microfluidique par tout type de moyen approprié. Ainsi, le liquide et le fluide peuvent être introduits grâce à une pompe, à une colonne d'eau ou à une pousseseringue ou par capillarité ou électro-osmose. Ainsi, comme représenté sur les figures 4 à 7, le 10 micro-canal 13 comporte un réservoir 21 destiné à recevoir la seconde phase 7. Un capillaire 22 est également connecté, par collage, à une des entrées du micro-canal 13, de manière à introduire la première phase. Sur la figure 5, un volume de la seconde phase 7 est déposé dans le réservoir 15 21. Sous l'action de la différence de potentiel appliquée entre la contre-électrode (non représentée) et l'électrode 9, la seconde phase 7, qui est la plus sensible à la différence de potentiel, s'étale dans la zone délimitée par l'électrode 9 et la partie de la contreélectrode en regard de l'électrode 9 (figure 6). Les forces créées par la différence de potentiel jouent également le rôle de pompe 20 microfluidique, en entraînant la seconde phase 7 dans la zone du microcanal 13 représenté par l'électrode 9 sur la figure 5. Une fois la seconde phase 7 injectée et stabilisée, la première phase 6 est injectée à travers le capillaire 22 (figure 7) et s'écoule dans le micro-canal 13, dans l'espace libre du micro-canal 13. L'interface 8 entre les première et seconde phases 6 et 7 reste stable au 25 cours de cet écoulement. Le dispositif microfluidique selon l'invention, permet, ainsi, de stabiliser efficacement l'interface entre deux phases non miscibles entre elles, sans nécessiter de barrière physique entre les deux phases. Ceci présente l'avantage de ne pas restreindre la surface de contact entre les deux phases et donc de ne pas limiter le transfert de masse entre les deux phases à une petite surface. Selon un premier mode de réalisation, représenté sur les figures 8 à 11, le 5 dispositif microfluidique selon la figure 1, est réalisé à partir d'un substrat 3, en verre ou en silicium de 500gm d'épaisseur, sur lequel est réalisée, par photolithographie, une électrode 9 en or (figure 8). Si le liquide ou le fluide sont conducteurs d'électricité, le dispositif microfluidique comporte des moyens d'isolation permettant de protéger l'électrode et/ou la contre-électrode du liquide 10 et/ou du fluide conduteurs. Les moyens d'isolation sont disposés entre l'électrode ou la contre-électrode et le liquide ou le fluide. Le substrat 3 comportant l'électrode peut donc être isolé électriquement, par exemple, grâce à un couche 23 d'oxyde de silicium ou SiO2 (figure 9), ladite couche étant déposée sur le substrat selon un procédé de dépôt en phase vapeur sous plasma, plus 15 connu sous le nom de procédé " PECVD " (Plasma enhanced chemical vapor deposition). Des parois latérales 4, en résine épaisse, sont ensuite réalisées sur le substrat 3, par photolithographie (figure 10). La paroi supérieure 5, en verre ou en 20 matériau plastique tel que du polycarbonate par exemple, est assemblée par sérigraphie de colle 24 sur l'ensemble (figure 11). Avant cette étape, une partie de la largeur de la paroi supérieure 5 a été revêtue d'une couche d'un composé d'oxyde d'indium et d'étain, plus connu sous le nom anglo-saxon d'ITO (Indium Tin Oxyde). Ladite couche forme la contre-électrode 10 et est éventuellement 25 isolée électriquement. La réalisation d'un tel dispositif microfluidique présente l'avantage d'être facile à mettre en oeuvre. La couche isolante 23 de quelques micromètres peut être réalisée en un polymère isolant, tel qu'un dimère type Di Para Xylylène plus connu sous le nom commercial de Parylène 0, déposé en phase vapeur après la réalisation des parois latérales. La couche peut, également, être en polymère fluoré liquide, tel que le TéflonO liquide, déposé à la tournette avant l'assemblage par sérigraphie de colle. L'isolation de la contre-électrode 10 est, par exemple, réalisée sur la 5 paroi supérieure, avant l'assemblage. Elle peut être réalisée grâce au dépôt d'une couche isolante de quelques micromètres en Parylène ou en TéflonO, déposée selon les techniques déjà décrites pour l'isolation de l'électrode 9. L'isolation de l'électrode et de la contre-électrode peut également être réalisée après l'assemblage des parois inférieure et supérieure, en déposant une couche 10 isolante de quelques micromètres en Parylène0 (dépôt en phase vapeur) ou en TéflonO liquide (dépôt par circulation dans le micro-canal). Selon un second mode de réalisation, le micro-canal est réalisé dans la paroi supérieure 5, par embossage à chaud. La paroi supérieure ainsi structurée est 15 ensuite revêtue d'une couche d'ITO, pour réaliser la contre-électrode. L'assemblage de la paroi supérieure sur le substrat comportant l'électrode est alors réalisé par sérigraphie de colle. Si le fluide et/ou le liquide sont conducteurs d'électricité, l'isolation de l'électrode et de la contre-électrode est réalisée par une des techniques décrites dans le premier mode de réalisation. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi, l'électrode et la contre-électrode peuvent être, respectivement, disposées sur les parois latérales du micro-canal. L'électrode et la contre-électrode peuvent également être disposées, en regard l'une de l'autre, sur la totalité d'une première et d'une seconde parois. Le fluide et le liquide ne réagissant pas de la même manière à la différence de potentiel il appliquée entre l'électrode et la contreélectrode, l'interface entre le fluide et le liquide est alors stabilisée par l'application de la différence de potentiel. De plus, le dispositif microfluidique peut contenir un nombre de phases 5 supérieur à deux, chaque phase étant non miscible avec les phases voisines. Il est également possible de coupler cette technique avec des techniques déjà connues telles que l'utilisation d'une membrane poreuse ou le traitement chimique des parois du micro-canal. Revendications 1. Dispositif microfluidique comportant au moins un micro-canal (13) destiné à 5 contenir au moins un liquide et au moins un fluide non miscible avec le liquide et des moyens de stabilisation de l'interface entre le liquide et le fluide, ledit microcanal (13) étant délimité par des parois inférieure (2), latérales (4) et supérieure (5), dispositif microfluidique (1) caractérisé en ce que les moyens de stabilisation comportent au moins une électrode (9) disposée sur au moins une 10 partie d'une première paroi du micro-canal (13), sur toute la longueur de celuici et au moins une contre-électrode (10) disposée, sur toute la longueur du microcanal, sur au moins une partie d'une seconde paroi, disposée en regard de l'électrode. 2. Dispositif microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contre-électrode (10) est disposée sur la totalité de la seconde paroi. 3. Dispositif microfluidique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode (9) et la contre-électrode (10) sont respectivement disposées 20 sur les parois inférieure (2) et supérieure (5). 4. Dispositif microfluidique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'électrode (9) et la contre-électrode (10) sont respectivement disposées sur les parois latérales (4). 5. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fluide ou le liquide étant conducteur d'électricité, le dispositif microfluidique (1) comporte des moyens d'isolation disposés entre l'électrode ou la contre-électrode et ledit fluide ou ledit liquide. 6. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide circule, dans le micro-canal (13), dans un sens inverse à celui du liquide. 7. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le micro-canal (13) comporte, à au moins une extrémité, deux micro-canaux d'extrémité, destinés à être parcourus respectivement par le fluide et le liquide.