Brevet FR2963741A1 — publié le 20120217

DISPOSITIF DE MAINTIEN PAR CAPILLARITE D'UN ELEMENT COMPORTANT AU MOINS UNE FACE PLANE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à un dispositif de maintien d'un élément comportant au moins une face plane, mettant en oeuvre des forces de capillarité. Par exemple, ce dispositif de maintien peut former un porte-échantillon ou servir à la réalisation de cellules micro ou nanofluidiques. Lorsque l'on veut effectuer une observation d'un échantillon au moyen d'un microscope, on dispose l'échantillon sur une lame généralement en verre de faible épaisseur, cette lame est ensuite fixée sur un porte-échantillon, qui est disposé sous l'objectif du microscope. La fixation de la lame de verre sur le porte-échantillon peut être obtenue par différents moyens. Par exemple, on utilise de moyens mécaniques tels qu'un clamp, des pinces, des brides.... Il existe des systèmes de maintien par dépression, en générant un vide ou au moyen de ventouses. Il existe également des moyens de maintien magnétiques, dans ce cas la lame présente une partie magnétisable, ou des moyens de maintien par adhésif ou par colle. Or la lame est relativement fragile. Par conséquent, les moyens de maintien doivent tenir compte de cette fragilité. Ainsi la manipulation des moyens de maintien doit être telle qu'elle ne provoque pas la 2 rupture de la lame. Dans le cas de moyens mécaniques, un risque non négligeable de rupture existe. En outre ces moyens sont encombrants. Dans le cas de moyen mettant en oeuvre une dépression ils peuvent se révéler très encombrants et le retrait de la lame peut être laborieux. Dans le cas du collage, le retrait de la lame est également problématique. Dans le cas de moyens de moyens magnétiques, cela impose d'utiliser des lames spécifiques. En outre, se pose le problème de l'encombrement. En effet la place disponible sous l'objectif du microscope est relativement réduite. Par ailleurs, il peut être souhaitable de pouvoir déplacer latéralement la lame sur un courte distance après sa fixation, or ceci n'est pas possible avec les moyens de maintien connus. Le document Michael J. Vogel and Paul H. Steen, "Capillarity-based switchable adhesion", PNAS, February 23, 2010, vol 107, no.8, 3377-3381 décrit un dispositif d'adhésion commutable comportant un support recouvert par une couche de matériau poreux recouverte elle-même par une plaque percée de trous. Le support comporte un connecteur relié à un réservoir de liquide. Le liquide est aspiré par application d'un champ électrique à travers la couche poreuse. Des gouttes de liquide font alors saillie de la plaque percée par les trous de la plaque percée, entrent en contact avec une face du substrat et le maintiennent par capillarité. Ce dispositif est complexe, encombrant, opaque, et nécessite une alimentation électrique. Il 3 est donc difficilement applicable dans le cadre d'un porte-échantillon. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif de maintien d'éléments ayant au moins une surface plane, de manipulation simple, assurant un retrait aisé de l'élément et d'encombrement réduit. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif de maintien comportant un évidement pour loger un élément à maintenir et un film liquide dans le fond de l'évidement, le film maintenant la lame par le phénomène de capillarité entre le fond de l'évidement et le film de liquide et entre le film de liquide et l'élément. L'élément maintenu est généralement en forme de plaque, i.e. il comporte une longueur et une largeur très grande par rapport à son épaisseur. La longueur et la largeur définissent au moins une première surface plane destinée être en contact avec le film de liquide sur laquelle il exerce des forces de capillarité. L'élément apte à être maintenu peut comporter une deuxième surface sensiblement plane et parallèle à la première surface, mais ceci n'est en aucun cas limitatif, la deuxième surface pourrait être plane sans être parallèle à la première surface, ou être sensiblement parallèle à la première surface tout en présentant un certain relief, ou non parallèle et présentant un certain relief, sans sortir du cadre de la présente invention. 4 Ce dispositif de maintien peut être un porte-échantillon pour microscope. Il peut également être utilisé pour approcher une plaque d'une autre plaque tout en assurant un bon alignement, par exemple pour former des cellules micro et nanofluidiques. Ce dispositif de maintien est très peu encombrant, sa manipulation est simple et rapide et les risques de détérioration de l'élément sont très réduits. Il est donc particulièrement adapté au maintien d'échantillon. En outre, le dispositif de maintien selon la présente invention est très robuste. Ce dispositif de maintien permet un retrait aisé de l'élément puisqu'il suffit d'exercer un effort sur un bord de l'élément en direction du fond de l'évidement, provoquant un léger basculement de l'élément et la rupture du film. Ce dispositif offre également l'avantage de pouvoir repositionner aisément l'élément plusieurs fois, à l'inverse d'un adhésif ou d'une colle. En outre, le liquide utilisé pour la fixation de l'élément peut former un film de protection pour l'élément, par exemple contre l'oxydation à l'air, ou former un milieu biologique pour nourrir des cellules déposées sur l'élément. La présente invention a également pour objet un dispositif de maintien par capillarité d'un élément en forme de plaque présentant au moins une première face plane dont la surface est comprise entre 1 mm2 et 1 m2, comportant : 25 30 - un corps, - un évidement formé dans une surface dudit corps, l'évidement comportant un fond plan, ledit évidement ayant des dimensions permettant de recevoir l'élément, et 5 - un film de liquide recouvrant au moins partiellement le fond de l'évidement, ledit élément étant destiné à venir en contact avec le film par sa première face plane. De manière très avantageuse, le corps du dispositif est réalisé en un matériau transparent, par exemple en verre, en quartz ou en matériau plastique transparent. De préférence, le fond de l'évidement est hydrophile et la au moins la première face plane de l'élément est hydrophile vis-à-vis du film de liquide, ou l'évidement est hydrophobe et la au moins première face plane de l'élément est hydrophobe vis-à-vis du film de liquide. Les dimensions de l'évidement sont avantageusement égales à 110% des dimensions de l'élément, avantageusement égales à 101%. L'évidement peut comporter un emplacement pour le passage d'un outil de préhension dudit élément. Le dispositif de maintien selon la présente invention peut former un porte-échantillon par exemple pour une analyse au microscope, l'élément formant une lame sur laquelle une substance à analyser est déposée. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le liquide formant le film de maintien de l'élément peut également être destiné à former un film pour recouvrir une deuxième face de l'élément opposée à 6 la première face. Le film de liquide peut alors avoir des propriétés de protection de l'élément, par exemple par rapport à l'environnement extérieur. Dans le cas où l'élément porte des cellules vivantes, le film peut former un milieu de culture. La présente invention a également pour objet un dispositif de fabrication de cellules nano ou microfluidiques comportant au moins un premier dispositif de maintien selon la présente invention, permettant de superposer et d'aligner un premier élément maintenu par ledit dispositif à un deuxième élément. Le dispositif de fabrication de cellules nano ou microfluidiques selon l'invention peut comporter un deuxième dispositif de maintien du deuxième élément, le premier et le deuxième dispositif de maintien étant articulés l'un par rapport à l'autre dans trois directions de l'espace. Le deuxième dispositif de maintien est par exemple un dispositif de maintien selon l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins en annexe, sur lesquels : - la figure 1A est une vue en perspective de dessus d'un exemple de réalisation d'un dispositif de maintien selon la présente invention, - la figure 1B est une vue identique à celle de la figure 1A, une lame étant cependant maintenue dans le dispositif de maintien, 7 - la figure 2 est un vue de côté représentant une étape de fabrication d'une cellule microfluidique au moyen du dispositif de maintien selon la présente invention, - les figures 3A à 3C sont des représentations schématiques du film liquide suivant les propriétés hydrophiles ou hydrophobes des surfaces. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la description qui va suivre, le dispositif de maintien selon la présente invention sera décrit dans son application de porte-échantillon cependant le dispositif selon la présente invention peut être utilisé dans tout type d'application. Par exemple, l'élément peut former directement l'échantillon à observer, par exemple du silicium. Sur les figures 1A et 1B, on peut voir un exemple de réalisation d'un porte-échantillon selon la présente invention. Le porte-échantillon D représenté est destiné à maintenir des plaques 1 de forme rectangulaire. Cependant un porte-échantillon adapté à maintenir des plaques de forme quelconque ne sort pas du cadre de la présente invention, par exemple les plaques peuvent être des disques. Le porte-échantillon comporte un corps 2 de forme parallélépipédique comportant sur une de ses faces de plus grande surface un évidement 6 de forme parallélépipédique. 8 L'évidement présente une longueur 1, une largeur L et une profondeur p. L'évidement 6 comporte un fond 7 et des bords latéraux 9. La longueur et largeur de l'évidement 6 sont elles qu'elles permettent de disposer la plaque 1 dans l'évidement 6, sans qu'il y ait d'interaction entre les bords de la plaque 1 et les bords 9 de l'évidement 6. Les bords 9 de l'évidement 6 forment des butées pour la plaque 1 évitant que celle-ci ne glisse le long de la surface du porte-échantillon. De préférence, la longueur et la largeur de l'évidement 6 sont choisies de sorte à limiter le déplacement de la lame dans son plan. Par exemple, les dimensions de l'évidement 6 sont telles que la longueur est égale à 110% de la longueur de la plaque, avantageusement 101%, et la largeur est égale à 110% de la largeur de la plaque, avantageusement 101%. La profondeur de l'évidement dépend de l'application. Dans le cas où l'on souhaite que la surface de la lame fasse saillie du porte-échantillon, on peut choisir que la profondeur de l'évidement soit égale à 90% de l'épaisseur de la lame. Un évidement présentant une profondeur égale, voire supérieure à l'épaisseur de la lame ne sort pas du cadre de la présente invention. Par exemple, pour une lame présentant une longueur de 76 mm et une largeur de 26 mm, on choisit un jeu dans la direction de la longueur et dans la direction de la largeur de l'ordre de 2mm. 9 Le corps du porte-échantillon peut être réalisé en tout matériau compatible avec la plaque à maintenir. De manière très avantageuse, il peut par exemple être réalisé en un matériau transparent, comme le verre, le quartz, un plastique transparent comme le Plexiglas®, ce qui offre l'avantage d'avoir une bonne visibilité de la plaque. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas où l'on souhaite superposer deux plaques, et pour lesquelles l'alignement est très important par exemple pour réaliser des cellules nana et microfluidique. Cette application sera décrite dans la suite de la description. Le porte-échantillon comporte en outre un film de liquide 8 recouvrant le fond de l'évidement 6. Ce film de liquide 8 est solidaire du fond de l'évidement du fait du phénomène de capillarité. Lorsqu'une plaque est déposée sur le film 8, celle-ci est maintenue par le film 8 également grâce aux forces de capillarité. Le liquide utilisé pour former le film peut être de tout type, et dépend de l'application. Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant, le film de liquide recouvre également la plaque. En d'autres termes, la plaque est noyée dans le liquide. Le liquide peut alors être choisi pour protéger l'échantillon. Par exemple, dans le cas d'analyses sous microscope d'échantillons oxydables, qui ne doivent pas être en contact avec l'air, ces échantillons formés par la plaque directement sont maintenus par un film de liquide non oxydant. Ce cas peut s'appliquer au silicium avec un 10 film d'éthanol. L'éthanol isole donc la surface du silicium de l'air. Le liquide remplit alors une double fonction de moyen de fixation et de moyen de protection En outre, le liquide est choisi en fonction de l'application du porte-échantillon. Par exemple, dans le cas où c'est un matériau qui est analysé on pourra utiliser par exemple de l'eau désionisée ou un solvant non hydrogéné. Dans le domaine de la biologie, on pourra utiliser de l'eau, de l'eau salée, un milieu de culture cellulaire comme le DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) ou le PBS (Phosphate Buffer Solution, qui va nourrir les cellules portées par la plaque. Le liquide remplit également une double fonction de moyen de fixation et forme un milieu de culture. Le liquide est par exemple dispensé au moyen d'une pipette 12 schématisée sur la figure 1A. Il est préférable que le matériau formant le porte-échantillon, ou au moins le fond de l'évidement offre les mêmes propriétés d'hydrophilie ou d'hydrophobie vis-à-vis du liquide formant le film que le matériau de la plaque 1, afin d'assurer une bonne immobilisation latérale de la plaque 1. Un matériau comportant une surface plane est dit hydrophile si l'angle de contact entre le bord extérieur d'une goutte de fluide et la surface plane est inférieur à 90°. Un matériau est dit hydrophobe lorsque l'angle de contact entre une goutte de fluide et la surface plane est supérieur à 90°. L'expression « offrir les mêmes propriétés d'hydrophilie » s'entend de manière qualitative, i.e. 11 les deux matériaux sont hydrophiles ou hydrophobes, elle n'implique pas que les angles de contact vis-à-vis du liquide soient les mêmes, mais que les matériaux présent le même caractère d'hydrophilie par rapport au liquide utilisé. Sur la figure 3A, on peut voir, représentée schématiquement, une vue en coupe de détail du film entre le fond 7 de l'évidement 6 et la plaque 1, lorsque l'évidement 6 et la plaque 1 offre les mêmes propriétés d'hydrophilie. Sur la figure 3B, on peut voir, représentée schématiquement, une vue en coupe de détail du film entre le fond de l'évidement et la plaque, lorsque le fond 7 de l'évidement et la plaque 1 sont hydrophobes. Sur la figure 3C, on peut voir, représentée schématiquement, une vue en coupe de détail du film entre le fond 7 de l'évidement et la plaque 1, lorsque l'évidement est hydrophobe et la plaque est hydrophile. On constate que, dans le cas des figures 3A et 3B, le maintien transversal est meilleur que dans le cas dans la figure 3C. Le matériau de la lame peut être quelconque, il peut être identique ou différent de celui du corps du porte-échantillon. Par ailleurs, on peut prévoir d'effectuer un traitement de la lame et ou du fond de l'évidement pour obtenir les propriétés d'hydrophilie ou d'hydrophobie souhaitées. Ainsi on peut envisager que seul le fond de l'évidement présente la propriété requise, de même pour la lame. 12 Le fond 7 de l'évidement 6 peut présenter une certaine rugosité, de préférence celle-ci est inférieure à 1 mm RMS afin de limiter l'épaisseur du film de liquide nécessaire. En effet, l'épaisseur du film est supérieure à celle du relief de la surface afin que la plaque ne soit pas en contact avec le relief. La plaque peut également présenter une certaine rugosité qui devra être inferieure ou égale à 1 mm RMS. L'épaisseur du film de liquide 8 est déterminée de sorte qu'il assure un maintien de la plaque lorsque le porte-échantillon est retourné, i.e. lorsque la plaque est située sous le porte-échantillon. Les forces de capillarité compensent alors le poids de la plaque. Nous allons calculer l'épaisseur de ce film et son volume dans le cas d'une plaque en forme de disque Soit : - M la masse de la plaque en kg, - 6 la tension de surface du liquide en N/m qui est propre au matériau et au liquide utilisés, par exemple dans le cas de l'eau 6 = 43,8 mN/m à 20°C en contact avec du verre. - R la rugosité RMS cumulée de la plaque et du porte échantillon, - r le rayon de la plaque, - g l'accélération de la pesanteur en m.s-2. 13 La force de capillarité F, d'une goutte de liquide de rayon r ayant une tension de surface 6 est égale à : Fc = n x 6 x 2nr (on suppose que la surface du film de liquide est au plus égale à celle de la plaque) D'après l'équation d'équilibre des forces, la masse de la goutte étant M, on peut écrire : Mg = Fc D'où Mg = n x 6 x 2nr Soit r = Mg/ (2n26) Par ailleurs, le volume du film est égal à: V = n x r2 x h1im. hiim est la hauteur du film tenant compte de la rugosité R, nous choisissons par exemple kilim = R + 50 }gym. Par conséquent, V = M2 x g2 x kilim/ (4n3x62) . Dans le cas où on souhaite pouvoir retourner le dispositif de maintien, le volume de liquide est choisi supérieur au volume Vlim- La surface du film peut être soit inférieure, soit égale à celle de la plaque. Cette surface dépend de la masse de la plaque et de la tension de surface. L'évidement 6 peut être réalisé par toute technique. Il peut être réalisé directement par moulage aux dimensions souhaitées. Il peut être réalisé par usinage du corps du porte-échantillon. Le dispositif de maintien selon la présente invention est particulièrement adapté au maintien d'éléments en forme de plaque dont la surface est 14 comprise entre 1 mm2 et 1 m2. Par exemple, une lame d'observation pour de microscope peut avoir une surface comprise entre 10 cm2 et 15 cm2 et une épaisseur comprise entre 150 pm et 1,1 mm. Le dispositif est également adapté au maintien de plaques microélectroniques qui présentent par exemple un diamètre de 300 mm et une épaisseur de 760 pm. la surface de la face plane destinée à être en regard du fon de l'évidement et la surface de l'autre face ne sont pas nécessairement égales. Le porte-échantillon représenté sur la figures 1A et 1B est réalisé par usinage. Afin de s'assurer que la plaque pourra loger dans l'évidement, on réalise au niveau des angles de l'évidement des 15 évidements additionnels 10 en forme d'oreille, évitant tout problème de dimensionnement. En outre ces évidements additionnels servent avantageusement à saisir la plaque 1 au moyen d'une pince introduite dans l'un des évidements additionnels. Dans le cas d'un évidement en forme de disque pour recevoir une plaque en forme de disque, on peut prévoir avantageusement un évidement additionnel formé dans le bord de l'évidement pour permettre de saisir de la plaque. Sur la figure 2, on peut voir une étape de superposition de deux plaques grâce au dispositif de maintien selon la présente invention, par exemple pour réaliser une cellule nana ou microfluidique. Le dispositif de maintien D est similaire à 30 celui des figures 1A et 1B, une plaque 1 est fixée dans l'évidement au moyen d'un film de liquide. 20 25 15 Une deuxième plaque 100 est disposée sur un support présentant de préférence un évidement 106 similaire à celui 6 de plaque 1. Dans l'exemple représenté et de manière avantageuse, la plaque 10 est maintenue également par un film de liquide 108, mais tout autre moyen de maintien est envisageable. La deuxième plaque 100 est donc avantageusement maintenue par un dispositif de maintien selon la présente invention. La première plaque 1 est rapprochée de la deuxième plaque 100 suivant les flèches F grâce à un système d'articulation (non représenté) permettant de déplacer relativement les deux plaques dans les trois directions de l'espace ainsi qu'en rotation autour de l'axe vertical, assurant une maîtrise de l'orientation relative des deux plaques 1, 100. En prévoyant des corps transparents, il est alors aisé d'aligner précisément les deux plaques 1, 100. Les deux plaques 1, 100 sont mises en contact et scellées. Par exemple, un cordon de colle est préalablement appliqué sur l'une des plaques. Lorsque l'on soulève le dispositif D, il emporte les deux plaques 1, 100 scellées l'une à l'autre. L'ensemble ainsi formé est ensuite retiré par simple pression sur un bord de l'ensemble pour rompre le film. Il est à noter que généralement l'alignement des deux plaques est effectué au moyen d'un microscope. Le faible encombrement des dispositifs de maintien est alors particulièrement intéressant. En outre, la plaque 1 reposant sur un film de liquide, celui-ci forme un "matelas amortisseur" 16 lorsque les deux plaques entre en contact. Il n'y a pas de point dur. D'une part, on assure l'application d'un effort uniforme sur toute la surface des plaques, et d'autre part les risques d'endommagement des plaques est réduit. Le dispositif de maintien selon la présente invention est de réalisation très simple et très robuste puisqu'il n'y a aucune pièce en mouvement, aucun moyen électrique et/ou électronique. Par ailleurs, il permet d'assurer l'intégrité des éléments maintenus puisqu'aucun élément mécanique ne vient pincer ou serrer les éléments, et le retrait des éléments.15 REVENDICATIONS1. Dispositif de maintien (D) par capillarité d'un élément (1) en forme de plaque présentant au moins une première face plane dont la surface est comprise entre 1 mm2 et 1 m2, comportant : - un corps (2), - un évidement (6) formé dans une surface dudit corps, l'évidement (6) comportant un fond plan (7), ledit évidement (6) ayant des dimensions permettant de recevoir l'élément (1), et - un film de liquide (8) recouvrant au moins partiellement le fond (7) de l'évidement (6), ledit élément (1) étant destiné à venir en contact avec le film (8) par sa première face plane. 2. Dispositif de maintien selon la revendication 1, dans lequel le corps (2) du dispositif est réalisé en un matériau transparent, par exemple en verre, en quartz ou en matériau plastique transparent. 3. Dispositif de maintien selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le fond (7) de l'évidement (6) est hydrophile et la au moins la première face plane de l'élément (1) est hydrophile vis-à-vis du film de liquide (8), ou l'évidement (6) est hydrophobe et la au moins première face plane de l'élément (1) est hydrophobe vis-à-vis du film de liquide.30 18 4. Dispositif de maintien selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les dimensions de l'évidement (6) sont égales à 110% des dimensions de l'élément (1), avantageusement égales à 101%. 5. Dispositif de maintien selon l'une des revendications 1 à 4, dans l'évidement (6) comporte un emplacement (10) pour le passage d'un outil de préhension dudit élément (1). 10 6. Dispositif de maintien selon l'une des revendications 1 à 5, formant porte-échantillon par exemple pour une analyse au microscope, l'élément (1) formant une lame sur laquelle une substance à analyser 15 est déposée. 7. Dispositif de maintien selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le liquide formant le film de maintien de l'élément est également 20 destiné à former un film pour recouvrir une deuxième face de l'élément opposée à la première face. 8. Dispositif de maintien selon la revendication précédente, dans lequel le film de 25 liquide a des propriétés de protection de l'élément, par exemple par rapport à l'environnement extérieur. 9. Dispositif de maintien selon la revendication 7, dans lequel l'élément porte des 30 cellules vivante et le film forme un milieu de culture.5 19 10. Dispositif de fabrication de cellules nano ou microfluidiques comportant au moins un premier dispositif de maintien (D) selon l'une des revendications 1 à 5, permettant de superposer et d'aligner un premier élément (1) maintenu par ledit dispositif à un deuxième élément (100). 11. Dispositif de fabrication de cellules nano ou microfluidiques selon la revendication précédente, comportant un deuxième dispositif de maintien du deuxième élément, le premier et le deuxième dispositif de maintien étant articulés l'un par rapport à l'autre dans trois directions de l'espace. 12. Dispositif de fabrication de cellules nano ou microfluidiques selon la revendication précédente, dans lequel le deuxième dispositif de maintien est un dispositif de maintien selon l'une des revendications 1 à 5.20