Groupe Microfluidique Mems et Nanostructure La microfluidique, une science en devenir, quelques exemples d’expériences et d’applications Hervé Willaime Groupe Microfluidique Mems et Nanostructure UMR CNRS-ESPCI 7083 herve.willaime@espci.fr X-ENS-UPS Physique - 12 MAI 05

Plan Introduction Quelques notions de microfabrication La fluidique à petite échelle à travers des expériences de laboratoire conclusion

Quelques repères 1976 : première imprimante à jets d’encre 1990 : premier chromatographe liquide (Manz et al) concept de mTAS (Manz, Graber, Widmer, Sens.Actuator, 1991) 1990 -1998 : Premiers systèmes élémentaire en microfluidique (micromixeurs, microréacteurs, système de séparation...) 1998-2004 : Apparition de la «  soft lithography technology », qui a renforcé le domaine. Différents systèmes avec différentes technologies

La microfluidique est utilisée de façon croissante dans un grand nombre de domaines - industrie alimentaire - chimie - Biotechnologie - industrie pétrolière - … Dans ces domaines, les systèmes microfluidiques de complexité variable sont nécessaires, et l’enjeu est de pouvoir répondre à la demande. Prévision d’une grande évolution de ses systèmes -> grand enjeu économique

Lois d’échelle

les transferts dans les réactions chimiques (Source : C. Delattre, MIT, MTL) Les transferts thermiques sont plus faciles dans les systèmes Microfluidiques, et la sélectivité des processus est meilleure

Puce à ADN Les laboratoires sur puce De la société Agilent- Caliper Permettent l’identification d’un brin d’ADN grace à une séparation.

Les échelles sont bien adaptées à la manipulation de certains objets...

la montre qui n’indique pas l’heure

Microfabrication Deux exemples.

Technologie verre silicium (verre) Or Chrome Verre Verre Résine Or Chrome Verre Masque Or Chrome Verre Résine Chrome Résine Or Verre Canal Chrome Résine Or Verre Attaque HF Verre Canal

Technologie verre silicium (silicium et collage) Résine Gravure Profonde DRIE Résine Aluminium Aluminium Silicium Silicium Collage anodique Verre Silicium Silicium Verre Microcanal Silicium

Technologie PDMS(soft lithography) (polydimethylsiloxane) Monocouche Système de pompage externe Bicouche Pompage et actuation intégrée P

Comparaison des technologies PDMS Biocompatible Peu coûteux, rapide à concevoir Courte durée de vie Absorbe solvant matériau mou : avantages et inconvénients Silicium/verre Rigide Géométrie bien contrôlée nombreux traitements de surface Compatible avec solvant

Un peu de mécanique des fluides en microfluidique

Equations de Navier-Stokes

Les nombre de Reynolds sont petits dans les microsystèmes Re = Ul/n ~ l2 Equations de Stokes

L’approximation est acceptable dans la plupart des cas Microhydrodynamique Régime de Stokes : les termes inertiels sont négligés L’approximation est acceptable dans la plupart des cas

Analogie avec l'électrocinétique Un élément important : la résistance hydrodynamique Augmente,quand la taille du système diminue Analogie avec l'électrocinétique

LA MINIATURISATION BOULEVERSE LES EQUILIBRES PHYSIQUES DE MANIERE SOUVENT INTERESSANTE Les imprimantes à jet d’encre 2 mm From C.J.Kim (UCLA) (1999)

À l ’aide de nombres sans dimensions Analyse d ’un microjet À l ’aide de nombres sans dimensions Conclusion : le jet est laminaire (donc facilement contrôlable), les gouttes sont sphériques et la gravité est négligeable

Contrôle précis des gouttes Gouttes de qq µm de diamètre Émises à 30kHz a b c Précision de volume d’une fraction de pL d grande résolution d’impréssion utile pour ‘spotter’

Déplacement de fluide Externe : pousse seringue, pression. Pompage interne : Mécanique : microsystème, ou peristaltique Electroosmose…

Micropompe péristaltique

Pompe péristaltique (J. Goulpeau)

Electroosmose (E. Brunet) pour séparation électrophorétique

Le mélange

Le temps de diffusion pour un canal de 100µm de large (pour une molécule comme la fluoréscéïne) : Ce temps peut être trop long en particulier pour faire plusieurs réactions chimiques sur la même puce

Le mélange Faible Reynolds, pas de répime turbulent, la diffusion est insuffisante Nécessité d’activer le mélange, plusieurs idées plus ou moins surprenantes : Mélange chaotique (nombreuses méthodes) Champ électrique, ultrason Membranes oscillantes Mélange intra-gouttes Bactéries avec flagelles.

Réduction de système macroscopique : géométrie Tesla, un système peu efficace Ecoulement Mélange peu efficace dans le cas d’un canal microfluidique

Mélange peu éfficace Expérience faite par O Stern (2001)

Mélangeur ‘passif’ Stroock, A.D.; Dertinger, S.K.W.; Ajdari, A.; Mezic, I.; Stone, H.A. and Whitesides, G.M. Chaotic mixer formicrochannels. Science, 2002, 295, 647-651

Un mélangeur chaotique : le principe de base Application de la perturbation Etirement de la ligne U Arrêt de la pertubation Repliement

Simulations numériques

Augmentation de la vitesse de mélange Micromélangeur actif Augmentation de la vitesse de mélange 10 X 200 μm Eau + Glycerol + Fluorescéine Eau + Glycerol ~ 100 μm : Canaux d’actuation Flux de la perturbation Pression

Film A. Dodge : fréquence croissante

Langue de ‘calme’ dans un océan de chaos F=L/Ltrian-1 AMPLITUDE FREQUENCY F. Okkels, P.Tabeling, Phys.Rev.Lett.,92, 3 (2004)

Mélange en gouttes (D. Weitz, Harvard)

Les écoulements diphasiques Quelques jeux de gouttes

En écoulement macroscopique : structures typiques obtenues Dans la plupart des cas, pas d’effet des propriétés de mouillage des surfaces Peu de sensibilité aux modes d’injections des fluides.

Système expérimental Stereomicroscope To a syringe pump

Diagramme d’écoulement : Eau dans huile (avec du tensioactif : span 80) eau eau Tetradecane + span 80

Comparaison sans et avec span 80

Ces résultats montrent l’importance des forces capillaires dans les écoulements diphasiques en microfluidique comme le montre le nombre capillaire Ca ~ mU/g ~ l2 La maîtrise des propriétés de mouillage permet de contrôler les structures que l’on cherche à obtenir dans les écoulements diphasiques.

Anna,Bontout, Stone, Formation of dispersins using flow-focussing in microchannels, Appl. Phys. Lett (2003), 364-366

Division de gouttes (D. Weitz, Harvard)

Système expérimental : principe du forçage Canal d’écoulement P PDMS PDMS VERRE Actuation

A très fort couplage Le système répond à la fréquence de forçage. Intérêt pour les applications

Contrôle de la taille des gouttes Film ralenti 3 fois

Tout n’est pas toujours si simple Accrochage de fréquences pour certaines gammes de fréquences de forçage : réponse périodique

Spectres typiques Régime chaotique Fréquence naturelle d’émission Freponse = F forçage Freponse = F forçage/4 Régime chaotique

Langues d’Arnold

Langues d’Arnold

Escalier du diable Réponse du système en fonction du forçage couplage fort Réponse du système en fonction du forçage

Escalier du diable Winding number : average phase change per iteration

Réponse à un forçage externe synchronisation Fréponse/Fforçage = m/n (nombre rationnel) Couplage faible Fréponse/Fforçage nombre irrationnel : régime quasipériodique ou chaotique Couplage fort Synchronisation sur la fréquence de forçage : Fréponse = Fforçage

Rustem F. Ismagilov, Univ. Chicago

Conclusion

LES SYSTEMES MICROFLUIDIQUES SONT INTERESSANTS, PROBABLEMENT POUR 3 RAISONS - La miniaturisation bouleverse les équilibres physiques de manière souvent intéressante - Microfluidique et parallélisme engendrent, lorsqu’ils sont associés, des systèmes parfois étonnants - Il est nécessaire de maitriser les écoulements pour élaborer des laboratoires sur puce

Miniaturization of electrophoretic separation systems Caliper

MICROFLUIDIQUE ET PARALLELISME DONNENT LIEU A DES SYSTEMES PARFOIS ETONNANTS la cristallisation des protéines Les opérations élémentaires Chargement, compartimentage Mélange, purge. (Quake et al, Science 2002)

lab-on a chips, etc... valves enzyme base pump

An elementary Lab-on-a-chip LAB-ON A CHIP BIOSITE DIAGNOSES HEART ATTACK WITHIN 10 MN