INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Selon l’invention, la puce microfluidique comprend un canal d’injection de fluide central, deux canaux d’injection de fluide de gaine et en ce que la puce microfluidique comprend une zone de jonction, une zone de détente en aval de la zone de jonction et une zone de tri disposée en aval de la zone de détente, un microcanal fluidique reliant fluidiquement la zone de jonction à la zone de détente, la zone de tri comprenant un canal fluidique relié fluidiquement en entrée à la zone de détente et en aval à au moins deux canaux de sortie, la zone de jonction comprenant une buse centrale reliée fluidiquement au canal d’injection de fluide central, deux buses latérales disposées sur deux côtés opposés de la zone de jonction, chacune des deux buses latérales étant reliée fluidiquement à l’un des deux canaux d’injection de fluide de gaine, le microcanal fluidique étant disposé sur une face opposée de la zone de jonction par rapport à la buse centrale, la buse centrale ayant une plus petite largeur x comprise entre 2 et 10 micromètres, chacune des deux buses latérales ayant une plus petite largeur x1 comprise entre 3 et 10 micromètres, le microcanal fluidique ayant une largeur y comprise entre 2 et 7 micromètres et une longueur z comprise entre 2 et 10 micromètres, la zone de détente ayant une plus grande largeur u comprise entre 20 et 75 micromètres et la zone de détente ayant une longueur V comprise entre 100 et 600 micromètres, et en ce que la zone de jonction, le microcanal fluidique, la zone de détente et le canal fluidique de la zone de tri ont une profondeur h comprise entre 2 micromètres et 10 micromètres, la puce microfluidique étant apte à générer via le microcanal fluidique des microgouttes monodispersées ayant un volume déterminé compris entre 1 femtolitre et 200 femtolitres.
Ainsi, la puce microfluidique permet de générer séquentiellement, une par une, des microgouttes d’un fluide central monodispersées dans un fluide de gaine à une fréquence de production stable supérieure à 10 kilohertz, par exemple de 60 kHz. Les microgouttes ont un diamètre déterminé par les dimensions et la géométrie des buses d’entrée de fluide central et de fluide de gaine, et de la buse de sortie (i.e. le microcanal fluidique reliant la zone de jonction à la zone de détente), par exemple un diamètre compris entre 4 et 5 micromètres. Ainsi, les microgouttes sont monodispersées, c’est-à-dire que toutes les microgouttes ont le même volume et ce volume est prédéterminé. De plus, les microgouttes monodispersées ainsi générées restent ordonnées en une seule colonne dans la zone de détente.
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de la puce microfluidique conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - la zone de tri comprend une électrode active disposée sur un côté du canal fluidique et deux électrodes de masse disposées des deux côtés du canal fluidique, les deux électrodes de masse encadrant l’électrode active dans la zone de tri autour du canal fluidique, l’électrode active étant à une distance minimum du canal fluidique comprise entre 5µm et 40 µm ; - la zone de tri comprend deux électrodes actives et deux électrodes de masse, les deux électrodes actives étant disposées sur deux côtés opposés du canal fluidique, les deux électrodes de masse étant disposées sur deux côtés opposés du canal fluidique, chacune des deux électrodes de masse encadrant une des deux électrodes actives dans la zone de tri autour du canal fluidique, chacune des deux électrodes actives étant à une distance minimum du canal fluidique comprise entre 5µm et 40 µm ; - la puce microfluidique comprend au moins un canal latéral relié fluidiquement à l’entrée de la zone de tri, le au moins un canal latéral étant adapté pour injecter un flux de fluide de gaine ; - la puce microfluidique comprend au moins un microcanal d’équilibrage reliant fluidiquement un des canaux de sortie à un autre canal de sortie, ledit au moins un microcanal d’équilibrage ayant une profondeur égale à la faible profondeur h ; - la zone de détente a en sortie du microcanal fluidique une largeur réduite r comprise entre 5 et 15 micromètres et la zone de détente s’élargit vers l’aval de la largeur réduite r jusqu’à la plus grande largeur u ; - la zone de détente est reliée au canal fluidique de la zone de tri par un canal fluidique ayant une profondeur égale à la faible profondeur h et une largeur d’environ 20µm, la largeur de la zone de détente se rétrécissant vers l’aval de la plus grande largeur u jusqu’à la largeur d’environ 20µm du canal fluidique; - le canal d’injection de fluide central, les deux canaux d’injection de fluide de gaine et les au moins deux canaux de sortie ont une profondeur égale à la faible profondeur h ; - le canal d’injection de fluide central, les deux canaux d’injection de fluide de gaine et les au moins deux canaux de sortie ont une profondeur H supérieure à la profondeur h de la zone de jonction, la profondeur H étant comprise entre 6 micromètres et 20 micromètres ; - la puce microfluidique comprend un dispositif à base de micro-pompes ou de pousses-seringues adapté pour injecter le fluide de gaine et respectivement le fluide central dans la puce microfluidique.
L’invention concerne aussi un procédé de génération et de tri de microgouttes monodispersées au moyen d’une puce microfluidique selon la présente divulgation.
Ainsi, la puce microfluidique de la présente divulgation permet de réaliser trois fonctions sur la même puce : création de gouttes monodispersées de volume déterminé, compris entre 1 fL et 200 fL, propagation ordonnée des gouttes vers une zone de mesure et de tri, les gouttes étant disposées en une seule colonne, puis mesure et déflexion des gouttes individuelles selon le résultat de la mesure. La configuration de la puce microfluidique , notamment les dimensions de la zone de jonction, de la zone de détente et de la zone de tri ainsi que la faible distance entre la zone de production des microgouttes et la zone de tri permettent à la fois de générer des microgouttes monodispersées de faible volume, entre 1fL et 200 fL, à haute fréquence (par exemple plusieurs dizaines de kHz) et de les conduire en une seule colonne ordonnée de la zone de génération vers la zone de tri, puis de trier activement et individuellement chaque microgoutte, avec une grande efficacité et avec une haute fréquence de tri.
Ainsi la présente divulgation présente les conditions pour réaliser un train de gouttes d’un diamètre connu, puis la propagation des gouttes en maintenant l’alignement de celles-ci en une colonne unique, orientée dans la direction d’écoulement du fluide de gaine, et à vitesse stable, puis le tri individuel des gouttes qui se présentent séquentiellement à la zone de mesure et de tri.
Fabrication ou montage Différentes techniques peuvent être utilisées pour installer les guides d’ondes, notamment dans la couche arrière de la cible.
Selon un mode de réalisation préféré, au moins une partie, de préférence la totalité de la partie de mesure de chaque guide d'ondes est recouverte d’une gaine sacrificielle.
Chaque partie de mesure est disposée dans un orifice, par exemple ménagé dans la couche arrière, ou, par exemple, dans une rainure ménagée dans la couche arrière. Une charge de départ de mélange réfractaire, de préférence un béton, présentant sensiblement la même composition que celle de la couche arrière est déposée dans l’orifice ou la rainure afin de recouvrir la gaine sacrificielle du guide d’ondes.
La charge de départ est alors durcie, et de préférence frittée, de préférence lors de l’attrempage du four. La gaine sacrificielle est éliminée, classiquement par traitement thermique, de préférence lors du frittage ou de l’attrempage, de préférence par application d’une température comprise entre 400°C et 1200°C.
En complément ou alternativement à la gaine sacrificielle, un matériau de remplissage sacrificiel, par exemple une résine, peut être utilisé pour combler l’orifice ou la rainure.
Un tel procédé permet avantageusement un contact étroit entre le guide d’ondes et la cible, ce qui permet un bon échange thermique et limite le risque d’infiltration de verre en fusion tout en limitant les contraintes sur le guide d’ondes.
Premier exemple : Sole La cible peut être la sole du four selon l’invention.
Dans le mode de réalisation représenté sur la , la sole présente, vue de dessus, une forme générale rectangulaire.
Comme illustré sur la , elle comporte classiquement, en superposition, une première couche de blocs réfractaires 241, sous la forme de dalles, au contact du verre en fusion, deux couches de béton 242a et 242b et deux couches d’isolant 243a et 243b. L’ensemble de ces couches est délimité latéralement par des blocs dits « de trottoir » 244 et repose sur une fondation 245.
La flèche référencée D indique la direction d’écoulement du verre en fusion.
Les blocs réfractaires 241 peuvent être de différentes formes, par exemple de forme parallélépipédique rectangle.
Les blocs réfractaires 241 sont de préférence en un matériau résistant au contact du verre à des températures supérieures à 600°C, voire supérieures à 1000°C, ou même supérieures à 1200°C. Les blocs réfractaires peuvent être constitués, pour plus de 90% de sa masse, d’un ou plusieurs oxydes choisis dans le groupe constitué par ZrO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 , Cr 2 O 3 , Y 2 O 3 , et CeO 2 . Ils comportent de préférence plus de 90% de ZrO 2 , Al 2 O 3 et SiO 2.
Dans un mode de réalisation, les blocs présentent plus de 15% de ZrO 2 , de préférence entre 26% et 95% de ZrO 2 . Leur composition est typiquement, pour un total de plus de 90%, de préférence plus de 95% : 26% à 40% ZrO 2 ; 40% à 60% Al 2 O 3 ; 5% à 35% SiO 2 . La phase vitreuse représente environ 5% à 50%, de préférence entre 10% et 40%. De préférence, cette phase vitreuse est une phase silicatée dont la proportion massique de Na 2 O est inférieure à 20%, de préférence inférieure à 10% et/ou dont la proportion massique d’Al 2 O 3 est inférieure à 30%. Tous les pourcentages sont classiquement en masse sur la base des oxydes. De préférence, les oxydes représentent plus de 90%, de préférence plus de 95%, de préférence plus de 98% de la masse du bloc réfractaire.
Les couches de béton 242a et 242b sont par exemple de la gamme ERSOL vendue par la société SEFPRO. Elles sont classiquement formées par coulage dans des coffrages en damier disposés de manière décalée par rapport aux coffrages de la première couche supérieure (la plus proche du verre) afin d‘augmenter la résistance thermomécanique et réduire les risques d’infiltration en cas de percée du verre en fusion.
La couche d’isolant supérieure 243a peut être formée d’un placage de préfabriqué de béton réfractaire, classiquement de la gamme ERMOLD fourni également par SEFPRO.
La couche d’isolant inférieure 243b peut être en un isolant fibreux.
est une vue schématique du circuit fluidique d’une puce microfluidique selon un exemple de réalisation de la présente divulgation ;
est une vue agrandie de la partie centrale de la puce microfluidique de la ;
est une vue agrandie de la zone de jonction et d’une partie de la zone de détente de la puce microfluidique des figures 1 à 3 ;
est une vue agrandie de la zone de jonction, la zone de détente et la zone de tri de la puce microfluidique des figures 1 et 2, avec des flèches indiquant la direction des différents flux ;
] est une vue de dessus agrandie de la zone de tri de la puce microfluidique des figures 1 à 4 ;
est une vue en coupe AA de la zone de tri de la puce microfluidique illustrée en ;
est une vue agrandie d’une zone de jonction et d’une zone de tri selon une variante de la puce microfluidique à trois canaux de sortie ;
est une vue agrandie d’un dispositif microfluidique en fonctionnement, montrant la génération d’un train de gouttes et sa propagation en une colonne unique dans la zone de détente.
Description détaillée Dans le présent document, on entend par fluide un liquide pur ou en mélange,ou une émulsion.
La puce microfluidique 30 est généralement de forme planaire. La puce microfluidique 30 est fabriquée dans une plaque. Différents matériaux conviennent pour la plaque, tels que du verre ou encore un polymère, par exemple le polydiméthylsiloxane (PDMS), ayant une épaisseur de quelques millimètres par exemple de 5 mm. La puce microfluidique comporte une lame 31 formant couvercle qui est fixée par exemple par collage ou adhésion. La lame 31 est de préférence transparente pour permettre l’observation et la détection de particules en suspension dans un fluide. Par exemple, la lame 31 est une lame de microscope pour permettre l’observation de la puce microfluidique sous un objectif de microscope optique. Un circuit microfluidique comprenant notamment des canaux microfluidiques est formé sur la face de la puce microfluidique 30 disposée en regard de la lame 31.
Nous allons décrire de manière détaillée un exemple de puce microfluidique en lien avec les figures 1 à 8.
Sur la , on a représenté un exemple de puce microfluidique en vue de dessus, par exemple à travers la lame 31. La puce microfluidique comprend une entrée 2 de fluide de gaine et une entrée 4 de fluide central. Le fluide central et le fluide de gaine sont immiscibles entre eux. Le fluide central ou fluide échantillon est par exemple une solution aqueuse comprenant en suspension des micro- ou nanoparticules à analyser. Le fluide de gaine est un fluide non miscible avec le fluide central, par exemple une huile ou un mélange d’huile et de tensio-actif. L’entrée 2, respectivement 4, est reliée fluidiquement à un réservoir externe de fluide de gaine, respectivement à un réservoir externe de fluide central, les réservoirs (non représentés) étant équipés de micro-pompes ou de pousses-seringues pour injecter le fluide de gaine et respectivement le fluide central dans la puce microfluidique.
En option, l’entrée 2, respectivement 4, comporte un filtre constitué par exemple de canaux de dimensions prédéterminées formés entre des piliers micrométriques 43 disposés en cercles concentriques autour d’une ouverture 41 traversant la puce microfluidique vers le réservoir correspondant. De façon avantageuse, d’autres piliers espaceurs 42 micrométriques sont par exemple disposés autour de l’ouverture 41, pour maintenir la profondeur des espaces où circule le fluide entre l’ouverture 41 et les canaux entre les piliers 43. Les piliers micrométriques 42 et 43 font partie de la plaque de la puce microfluidique et sont en général fixés à leur autre extrémité à la lame 31 formant couvercle. Un tel filtre permet de filtrer le fluide de gaine et respectivement le fluide central lors de leur injection dans la puce microfluidique, comme illustré schématiquement sur les figures 1-2.
L’entrée 2 du fluide de gaine est reliée à deux canaux d’injection de fluide de gaine 1 par une jonction en T à une entrée et deux sorties. L’entrée 4 du fluide central est reliée à un canal d’injection de fluide central 3. En option, le canal d’injection de fluide central 3 comporte une portion 5 en méandre, par exemple en forme de S, qui permet de stabiliser la production des microgouttes.
La puce microfluidique comprend une zone de jonction 7 entre les deux canaux d’injection de fluide de gaine 1 et le canal d’injection de fluide central 3, illustrée notamment sur la . Les deux canaux d’injection de fluide de gaine 1 conduisent le fluide de gaine vers la zone de jonction 7 et le canal d’injection de fluide central 3 conduit le fluide central vers la zone de jonction 7.
La zone de jonction 7 fluidique comprend ici trois buses d’entrées et une buse de sortie. Plus précisément, la zone de jonction 7 comprend une buse centrale 21 reliée fluidiquement au canal d’injection de fluide central 3 et deux buses latérales 22, 23 disposées sur deux côtés opposés de la zone de jonction 7, chacune des deux buses latérales 22, 23 étant reliée fluidiquement à l’un des deux canaux d’injection de fluide de gaine 1. La buse de sortie de la zone de jonction est formée par un microcanal fluidique 24 disposé sur une face opposée de la zone de jonction 7 par rapport à la buse centrale 21. On note 28 une direction longitudinale de la buse centrale 21. De façon avantageuse, les buses latérales 22, 23 sont disposées transversalement à la direction longitudinale 28 et le microcanal fluidique 24 est dans l’axe de la direction longitudinale 28. La zone de production de microgouttes est située dans le microcanal fluidique 24.
De façon avantageuse, comme illustré sur la , les deux canaux d’injection de fluide de gaine 1 comportent des filtres 6 constitués de plots répartis sur les trajets du fluide de gaine en amont de la zone de jonction 7. En option, un filtre analogue est disposé sur le canal d’injection de fluide central 3 en amont de la zone de jonction 7. Ces filtres 6 servent à retenir d’éventuelles particules indésirables de dimensions supérieures à la largeur des buses 21, 22, 23. De telles particules indésirables sont susceptibles de boucher les buses 21, 22, 23 et d’empêcher la formation des microgouttes.
Selon la présente divulgation, les entrées et la sortie de la zone de jonction 7 présentent des dimensions micrométriques particulières. Dans le présent document, on entend par profondeur d’un canal microfluidique une dimension prise perpendiculairement au plan des figures 1 à 5. On entend par longueur d’un élément de la puce microfluidique, par exemple longueur d’un microcanal, une dimension prise selon l’axe longitudinal de cet élément, c’est-à-dire dans la direction d’écoulement du fluide dans ce microcanal, dans le plan des figures 1 à 5 et 7-8. On entend par largueur d’un élément de la puce microfluidique, par exemple largueur d’un microcanal, une dimension prise transversalement à l’axe longitudinal de cet élément, c’est-à-dire perpendiculairement à la direction d’écoulement du fluide dans ce microcanal, dans le plan des figures 1 à 5 et 7-8.
La buse centrale 21 relie fluidiquement le canal d’injection de fluide central 3 à la zone de jonction 7 en réduisant progressivement sa largeur. A l’extrémité de raccordement de la zone de jonction 7, la buse centrale 21 présente une plus petite largeur x comprise entre 4 et 10 micromètres. La buse centrale 21 a ici par exemple une longueur t inférieure ou égale à 7 micromètres. Chacune des deux buses latérales 22, 23 relie fluidiquement l’un des deux canaux d’injection de fluide de gaine 1 à la zone de jonction 7 en réduisant progressivement leur largeur. A l’extrémité de raccordement de la zone de jonction 7, chacune des deux buses latérales 22, 23 a une plus petite largeur x1 comprise entre 4 et 10 micromètres. Chacune des deux buses latérales 22, 23 a ici par exemple une longueur S inférieure ou égale à 7 micromètres. De façon avantageuse, les deux buses latérales 22, 23 sont symétriques par rapport à la direction longitudinale 28. Le microcanal fluidique 24 a une largeur y comprise entre 2 et 7 micromètres et une longueur z comprise entre 2 et 10 micromètres
Le microcanal fluidique 24 relie la sortie de la zone de jonction 7 à une zone de détente 8. La zone de détente 8 présente une forme évasée depuis la sortie du microcanal fluidique 24 vers l’aval de la puce microfluidique. La zone de détente 8 a une largeur réduite r comprise entre 5 et 15 micromètres au niveau de la jonction avec le microcanal fluidique 24. La zone de détente 8 s’élargit vers l’aval jusqu’à une plus grande largeur u comprise entre 20 et 75 micromètres. La zone de détente 8 a une longueur v comprise entre 100 et 600 micromètres. Par exemple, comme illustré sur la , la zone de détente 8 comprend un chanfrein 38 adapté pour élargir linéairement la zone de détente 8 de la largeur réduite r jusqu’à la plus grande largeur u.
De façon avantageuse, la zone de détente 8 présente une forme se rétrécissant vers l’aval de la puce microfluidique de façon à faire passer les microgouttes une par une dans la zone de mesure et de tri, ci-après appelée zone de tri 18. Un canal fluidique 25 relie la sortie de la zone de détente 8 à la zone de tri 18. Le canal fluidique 25 a une largeur de 20µm et une longueur par exemple de 300µm. La zone de tri 18 comprend un canal fluidique 27 formant l’entrée d’une jonction à au moins deux canaux de sortie 13, 14. Le canal fluidique 27 est relié en aval du canal fluidique 25. En sortie de la zone de tri 18, le canal de sortie 13 permet par exemple de conserver les gouttes sélectionnées tandis que le canal de sortie 14 sert de poubelle pour collecter les gouttes non sélectionnées. Les canaux de sortie 13, 14 ont par exemple une largeur de 50µm.
Selon un mode de réalisation particulier et avantageux, la puce microfluidique a des canaux ayant un profondeur h, aussi appelée faible profondeur, uniforme sur toute la puce microfluidique. La profondeur h est comprise entre 2 micromètres et 10 micromètres. Ainsi, la zone de jonction 7, la buse centrale 21, les buses latérales 22, 23, le microcanal fluidique 24, la zone de détente 8, le canal fluidique 25 et les canaux fluidiques dans la zone de tri 18 ont une profondeur égale à la profondeur h. L’entrée 4 et le canal d’injection de fluide central 3 ont une profondeur égale à la profondeur h. De même, le canal latéral a une profondeur égale à la faible profondeur h.
Selon un autre mode de réalisation particulier et avantageux, la puce microfluidique comprend deux profondeurs de canaux : une grande profondeur H et une faible profondeur h, telle que h <H. La faible profondeur h est comprise entre 2 micromètres et 10 micromètres. La grande profondeur H est par exemple comprise entre 6 micromètres et 20 micromètres. Plus précisément dans ce cas, la zone de jonction 7, la buse centrale 21, les buses latérales 22, 23, le microcanal fluidique 24 et la zone de détente 8 ont une profondeur égale à la faible profondeur h. Le canal fluidique 25 et les canaux fluidiques dans la zone de tri 18 ont aussi une profondeur égale à la faible profondeur h. Au contraire, l’entrée 2 du fluide de gaine et les deux canaux d’injection de fluide de gaine 1 ont une profondeur égale à la grande profondeur H. De manière analogue, en sortie de la zone de tri 18, les canaux de sortie 13, 14 ont une profondeur égale à la grande profondeur H. De façon avantageuse, mais non nécessaire, l’entrée 4 et le canal d’injection de fluide central 3 ont une profondeur égale à la faible profondeur h. En variante, l’entrée 4 et le canal d’injection de fluide central 3 ont une profondeur égale à la grande profondeur H.
Dans tous les modes de réalisation, la zone de jonction 7 et le microcanal fluidique 24 où sont produites les microgouttes ont une profondeur h qui permet de limiter le diamètre des microgouttes et donc leur volume. Cette faible profondeur h est conservée depuis la zone de jonction 7 tout au long de la zone de propagation des gouttes, en particulier dans la zone de détente 8, le canal fluidique 25 et dans la zone de tri 18. Le maintien de la faible profondeur h continument sur tout le trajet des microgouttes depuis leur génération jusqu’au tri permet d’assurer le maintien du séquencement des gouttes en une seule colonne ordonnée dans le sens de l’écoulement du fluide de gaine (voir par exemple ). En sortie du microcanal fluidique 24, les microgouttes 32 générées forment une seule colonne qui est entraînée par le fluide de gaine. De façon non-intuitive, bien que la largeur de la zone de détente 8 soit supérieure au diamètre des microgouttes 32 d’environ un ordre de grandeur, les microgouttes 32 restent ordonnées suivant une seule colonne depuis la sortie du microcanal 24 jusqu’à la zone de mesure et de tri.