Vendredi 22 Janvier 2010
Lévitation diamagnétique de gouttelettes sur des micro-aimants
La miniaturisation poussée d'automates permettant les analyses chimiques ou biologique sur quelques picolitres se heurte à des phénomènes de contamination et d'adhésion de surface. Afin de minimiser ces effets, le laboratoire Biopuces en collaboration avec différents laboratoires dont le LE2S du DTBS développent une technique de manipulation sans contact appliquée à des gouttelettes en lévitation. Cette technologie novatrice devrait à l’avenir ouvrir la voie à une nouvelle technique de microfluidique digitale sans contact permettant de s’affranchir des problèmes de contamination.
La miniaturisation d’automates d’analyse sous la forme de laboratoires sur puce permet d’augmenter la sensibilité des détections et de paralléliser les réactions chimiques tout en réduisant les volumes des solvants ainsi que la quantité de principes actifs employés. Les échantillons de quelques nanolitres à quelques picolitres sont néanmoins très sensibles aux phénomènes de contamination et d’adhésion aux interfaces.
C'est pour ces raisons que le laboratoire Biopuces de l’iRTSV en lien avec le Grenoble Génie Électrique de l'École d'ingénieurs pour l'énergie, l'eau et l'environnement (G2εlab de l'Ense3) et l’Institut Néel (CNRS) développent une technique de manipulation sans contact appliquée entre autres à des gouttelettes en suspension dans l’air [[1-3]. Comme la majorité des matériaux présents sur la terre, les gouttelettes d’eau sont des objets diamagnétiques : elles s’aimantent faiblement dans la direction contraire au champ magnétique excitateur. Lorsque celui-ci est non-uniforme, les gouttes sont repoussées vers les zones de faible champ magnétique faible. Obtenue par des micro-aimants, cette force magnétique compense le poids de microgouttes (30-40 µm de diamètre) donnant lieu à leur lévitation dans des « puits magnétiques » (Figure 1) [1, 2].
Figure 1 : Lévitation de microgouttes dans l’air
A) sur des aimants massifs de NdFeB gravés par électroérosion, et
B) sur des microaimants de NdFeB. [1, 2].
La lévitation diamagnétique permet ainsi de positionner les gouttes de manière stable. Toutefois, ces chercheurs souhaitent introduire de nouvelles possibilités de mélanger, de doser et de caractériser les molécules présentes dans les gouttes en lévitation en maîtrisant leur déplacement horizontal [3]. À cet effet, ils envisagent d’utiliser le phénomène de diélectrophorèse qui permet, par la présence d’un champ électrique non-uniforme, de polariser la goutte et la déplacer selon son gradient. Le champ électrique est obtenu par une rangée de micro-électrodes traversant le puits magnétique (Figure 2).
Figure 2 : Vue de dessus et schémas du dispositif électromagnétique développé pour le déplacement diélectrophorétique de gouttes en lévitation diamagnétique.
Des tensions sinusoïdales opposées (Vo = ± 1V) sont appliquées à deux électrodes adjacentes afin d’attirer la goutte de manière stable.
Les forces diélectrophorétiques ont été modélisées numériquement au Département micro-Technologies pour la Biologie et la Santé du Leti avec Pascale Pham (STD/LE2S). Les simulations montrent la possibilité d’obtenir des vitesses d’actionnement significatives de 100 µm.s-1 sans échauffement significatif. Les dispositifs sont actuellement en cours de fabrication avec le Laboratoire des Technologies de la Microélectronique du CNRS : les électrodes sont gravées sur une lamelle de verre séparée des micro-aimants par une couche épaisse de silicone Figure 2).
Cette technique novatrice pourrait à l’avenir ouvrir la voie à une nouvelle technique de microfluidique digitale sans contact permettant de s’affranchir sinon de diminuer considérablement les problèmes de contamination.
Puits magnétique : Position où la force de répulsion diamagnétique compense de manière stable le poids de la goutte.
Diélectrophorèse : Force s’appliquant à tout objet électriquement polarisable soumis à un champ électrique non-uniforme.
Microfluidique digitale : Ensemble des techniques de manipulation de gouttelettes.
C'est pour ces raisons que le laboratoire Biopuces de l’iRTSV en lien avec le Grenoble Génie Électrique de l'École d'ingénieurs pour l'énergie, l'eau et l'environnement (G2εlab de l'Ense3) et l’Institut Néel (CNRS) développent une technique de manipulation sans contact appliquée entre autres à des gouttelettes en suspension dans l’air [[1-3]. Comme la majorité des matériaux présents sur la terre, les gouttelettes d’eau sont des objets diamagnétiques : elles s’aimantent faiblement dans la direction contraire au champ magnétique excitateur. Lorsque celui-ci est non-uniforme, les gouttes sont repoussées vers les zones de faible champ magnétique faible. Obtenue par des micro-aimants, cette force magnétique compense le poids de microgouttes (30-40 µm de diamètre) donnant lieu à leur lévitation dans des « puits magnétiques » (Figure 1) [1, 2].
Figure 1 : Lévitation de microgouttes dans l’air
A) sur des aimants massifs de NdFeB gravés par électroérosion, et
B) sur des microaimants de NdFeB. [1, 2].
La lévitation diamagnétique permet ainsi de positionner les gouttes de manière stable. Toutefois, ces chercheurs souhaitent introduire de nouvelles possibilités de mélanger, de doser et de caractériser les molécules présentes dans les gouttes en lévitation en maîtrisant leur déplacement horizontal [3]. À cet effet, ils envisagent d’utiliser le phénomène de diélectrophorèse qui permet, par la présence d’un champ électrique non-uniforme, de polariser la goutte et la déplacer selon son gradient. Le champ électrique est obtenu par une rangée de micro-électrodes traversant le puits magnétique (Figure 2).
Figure 2 : Vue de dessus et schémas du dispositif électromagnétique développé pour le déplacement diélectrophorétique de gouttes en lévitation diamagnétique.
Des tensions sinusoïdales opposées (Vo = ± 1V) sont appliquées à deux électrodes adjacentes afin d’attirer la goutte de manière stable.
Les forces diélectrophorétiques ont été modélisées numériquement au Département micro-Technologies pour la Biologie et la Santé du Leti avec Pascale Pham (STD/LE2S). Les simulations montrent la possibilité d’obtenir des vitesses d’actionnement significatives de 100 µm.s-1 sans échauffement significatif. Les dispositifs sont actuellement en cours de fabrication avec le Laboratoire des Technologies de la Microélectronique du CNRS : les électrodes sont gravées sur une lamelle de verre séparée des micro-aimants par une couche épaisse de silicone Figure 2).
Cette technique novatrice pourrait à l’avenir ouvrir la voie à une nouvelle technique de microfluidique digitale sans contact permettant de s’affranchir sinon de diminuer considérablement les problèmes de contamination.
Puits magnétique : Position où la force de répulsion diamagnétique compense de manière stable le poids de la goutte.
Diélectrophorèse : Force s’appliquant à tout objet électriquement polarisable soumis à un champ électrique non-uniforme.
Microfluidique digitale : Ensemble des techniques de manipulation de gouttelettes.
- Chetouani et al. Diamagnetic levitation with permanent magnets for contactless guiding and trapping of microdroplets and particles in air and liquids. IEEE Transactions on Magnetics, IEEE International Magnetics Conference, 2006, 42(10): 3557–3559
- Jeandey et al. Diamagnetic levitation based digital microfluidics. Proc. MicroTAS, vol 2, Paris, France: 7-11 octobre 2007, pp. 922-924
- Kauffmann P, Chetouani H, Pham P, Haguet V and Reyne G. Magnetophoretic and dielectrophoretic actuations coupled with diamagnetic trapping in air and liquids. Sensor Letters, 2009, 7(3): 470-474