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La microfluidique, une science en devenir, quelques exemples
d’expériences et d’applications
Hervé WillaimeGroupe Microfluidique Mems et
NanostructureUMR CNRS-ESPCI 7083
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
1976 : première imprimante à jets d’encre
1990 : premier chromatographe liquide (Manz et al)concept de TAS (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
Quelques repères
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 systèmesMicrofluidiques, et la sélectivité des processus est meilleure
Les laboratoires sur puceDe la société Agilent-Caliper
Permettent l’identification d’un brin d’ADN grace à une séparation.
Puce à ADN
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)
Verre
OrChromeVerre
RésineRésineOrChromeVerre
Masque
OrChromeVerre
Chrome
RésineOr
VerreChrome
RésineOr
Verre
Canal
Verre
Canal
Attaque HF
Technologie verre silicium(silicium et collage)
Résine
Silicium
Aluminium
Résine
Silicium
Aluminium
Gravure Profonde DRIE
Silicium
Collage anodique
Silicium
Verre
Silicium
Verre Microcanal
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
∂ρ∂t
+divρu=0
Equations de Navier-Stokes
DuDt
=∂u∂t
+(u∇)u=−1ρ
∇P+νΔu
Les nombre de Reynolds sont petits dans les microsystèmes
Re = Ul/ ~ l2
Equations de Stokes
Microhydrodynamique
0 =−∂p∂xi
+μ∂2ui∂xj∂xj
Régime de Stokes : les termes inertiels sont négligés
L’approximation est acceptable dans la plupart des cas
Un élément important : la résistance hydrodynamique
ΔP=RQmR=
12νb2
LS
~l−3
Augmente,quand la taille du système diminue
LA MINIATURISATION BOULEVERSE LES EQUILIBRESPHYSIQUES DE MANIERE SOUVENT INTERESSANTE
Les imprimantes à jet d’encre
2 mm
From C.J.Kim (UCLA) (1999)
Analyse d ’un microjet À l ’aide de nombres sans dimensions
Re=Uaν
≈10 ; Ca=μUγ
≈10−2 ; Bo=ρa2gγ
≈10−3
Conclusion : le jet est laminaire (donc facilement contrôlable), les gouttes sont sphériques et la gravité est négligeable
c
a
d
Contrôle précis des gouttes Contrôle précis des gouttes
Précision de volume d’une fraction de pL
• grande résolution d’impréssion• utile pour ‘spotter’
b
5 s
6 s
7 s
8 s
9 s
10 s
11 s
12 s13 s
14 s15 s
16 s
17 s
18 s
19 s
20 s
100 m
No SatelliteDroplets
Gouttes de qq µm de diamètreÉmises à 30kHz
Déplacement de fluide
• Externe : pousse seringue, pression.
• Pompage interne : – Mécanique : microsystème, ou peristaltique– Electroosmose…
Micropompe péristaltique
• Micropompe
PP P PP
Pompe péristaltique (J. Goulpeau)
QuickTime™ et undécompresseur Cinepak
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Electroosmose (E. Brunet)pour séparation électrophorétique
QuickTime™ et undécompresseur Graphique
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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
τ=l2
D~100s
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
Expérience faite parO Stern (2001)
Mélange peuéfficace
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
Mélangeur ‘passif’
Un mélangeur chaotique : le principe de base
U
Application de la perturbationEtirement de la ligne
Arrêt de la pertubationRepliement
U
U
Simulations numériques
QuickTime™ et undécompresseur Codec YUV420
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Micromélangeur actif
10 X
200 μm
Eau + Glycerol + Fluorescéine
Eau + Glycerol
~~
100 μm
::
~~::
Canaux d’actuation
Flux de la perturbation
Pression
Augmentation de la vitesse de mélange
Film A. Dodge : fréquence croissante
QuickTime™ et undécompresseur Vidéo
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Langue de ‘calme’ dans un océan de chaosA
MP
LIT
UD
E
FREQUENCY
F. Okkels, P.Tabeling, Phys.Rev.Lett.,92, 3 (2004)
F=L/Ltrian-1
Mélange en gouttes (D. Weitz, Harvard)
QuickTime™ et undécompresseur Codec YUV420
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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.
Stereomicroscope
To a syringe pump
To a syringe pump
Système expérimental
Diagramme d’écoulement : Eau dans huile (avec du tensioactif : span 80)
Tetradecane + span 80
eau
eau
Comparaison sans et avec span 80
La maîtrise des propriétés de mouillage permet de contrôler les structures que l’on cherche à obtenir dans les écoulements diphasiques.
Ces résultats montrent l’importance des forces capillaires dans les écoulements diphasiques en microfluidique comme le montre le nombre capillaire
Ca ~ U/ l2
Anna,Bontout, Stone, Formation of dispersins using flow-focussing in microchannels, Appl. Phys. Lett (2003), 364-366
QuickTime™ et undécompresseur
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Division de gouttes (D. Weitz, Harvard)
Système expérimental : principe du forçage
PQuickTime™ et un
décompresseur DV - PALsont requis pour visionner cette image.PDMS
PDMS
VERRE
Canal d’écoulement
Actuation
A très fort couplage
Le système répond à la fréquence de forçage.
Intérêt pour les applications
Contrôle de la taille des gouttes
QuickTime™ et undécompresseur DV - PAL
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Film ralenti 3 fois
Tout n’est pas toujours si simple
• Accrochage de fréquences pour certaines gammes de fréquences de forçage :
réponse périodique
QuickTime™ et undécompresseur DV - PAL
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QuickTime™ et undécompresseur Sorenson Video
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QuickTime™ et undécompresseur Sorenson Video
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Spectres typiques
Fréquence naturelle d’émission Freponse = F forçage
Freponse = F forçage/4Régime chaotique
Langues d’Arnold
Langues d’Arnold1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.72 3 4 5 6 7 8 9
1f /f
P (bar)
1/11/21/31/41/5
0
2/3
Escalier du diable
Réponse du système en fonction du forçage
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.4 0.8 1.2 1.6f0/f
f
couplage fort
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 demanière 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
Miniaturizationof electrophoreticseparation systems
Caliper
MICROFLUIDIQUE ET PARALLELISME DONNENT LIEU ADES SYSTEMES PARFOIS ETONNANTS
la cristallisation des protéines
(Quake et al, Science 2002)
Chargement, compartimentageMélange, purge.
Les opérations élémentaires
lab-on a chips, etc...
valves
pump
enzyme
base
LAB-ON A CHIP
DIAGNOSESHEART ATTACKWITHIN 10 MN
BIOSITE
An elementary Lab-on-a-chip
