Développements de systèmes micro-nanofluidiques appliqués à la filtration et la préconcentration

177 Pages·2014·8.91 MB·French

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE

Spécialité : Physique pour les Sciences du Vivant
Arrêté ministériel : 7 août 2006

Koceila Aïzel
Présentée par

Thèse dirigée par Yves/Fouillet

préparée au sein du Département des microTechnologies pour
la Biologie et la Santé (DTBS) au CEA Grenoble / Leti /
Minatec

dans l'École Doctorale de Physique de Grenoble

Développements de systèmes
micro-nanofluidiques
appliqués à la filtration et la
préconcentration

Thèse soutenue publiquement le « 9 Décembre 2013»,
devant le jury composé de :
Mme Anne Marie Gue
Directeur de recherche de 1ère classe au LAAS de Toulouse (Rapporteur)
Mr Pascal Kleimann
Maître de Conférences à l’Université Lyon 1 (Rapporteur)
Mme Myriam Taverna
Professeur chercheur CNRS à l’Institut Galien Paris Sud (Membre)
Mr Laurent Malaquin
Chargé de recherche 1ère classe CNRS à l’Institut Curie de Paris (Membre)
Mr Laurent Davoust
Professeur chercheur chez Grenoble INP (Président)
Mr Yves Fouillet
Ingénieur chercheur au CEA Leti de Grenoble (Directeur de Thèse)
Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France /
Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP
2
Remerciements

Dans cette partie, je tiens à remercier toutes les personnes qui ont participé de près ou
de loin aux différents aspects pluridisciplinaires dont a fait l’objet ce travail de thèse.

Tout d’abord, je tiens à remercier mon directeur de thèse Yves Fouillet qui m’a bien entendu
fait confiance et pour la qualité de son encadrement qui m’a été très utile pour mener à bien
ce projet.
J’aimerais également remercier Laurent Davoust pour son implication notamment sur les
aspects de modélisation physique.
Merci à Frederic Bottausci pour son expertise en micro PIV et aux parties de tennis…
Sur les aspects technologiques, je tiens à remercier Catherine Pudda et Régis Blanc pour
m’avoir formé aux différentes techniques de fabrication en salle blanche. Je remercie aussi
Amélie Bellemin Comte pour son aide précieuse.
Sur les aspects de chimie et biologie je tiens à remercier Isabelle Texier Nogues, Julien
Gravier, Jonathan Bruniaux, Fabrice Navarro et Myriam Cubizolles.
Merci à toute l’équipe des thésards et post-doctorants du DTBS avec qui j’ai passé de très
bons moments.

Enfin, je tiens à remercier ma famille et mes amis qui m’ont soutenu pendant ces trois ans.

3
4
Table des matières

Table des matières
Table des matières ...................................................................................................................... v
Liste des symboles et abréviations ........................................................................................... vii
Introduction générale .................................................................................................................. 1
1 Contexte théorique de l’étude ............................................................................................ 7
1.1 Introduction ................................................................................................................. 7
1.2 Hydrodynamique ......................................................................................................... 8
1.2.1 Canal rectangulaire .............................................................................................. 9
1.3 Electrostatique ........................................................................................................... 13
1.3.1 La longueur de Debye ......................................................................................... 13
1.3.2 Evolution du potentiel de surface ...................................................................... 16
1.4 Electrocinétique ......................................................................................................... 19
1.4.1 Vitesse électroosmotique................................................................................... 20
1.4.2 Vitesse électrophorétique .................................................................................. 20
1.5 Streaming potential ou potentiel d’écoulement ......................................................... 22
1.6 Conclusion ................................................................................................................. 25
2 Exploitation de la nanofluidique ...................................................................................... 27
2.1 Introduction ............................................................................................................... 27
2.2 Les systèmes de filtration industriels ......................................................................... 27
2.2.1 La filtration frontale ........................................................................................... 29
2.2.2 La filtration tangentielle ..................................................................................... 30
2.3 Les nanosystèmes en laboratoire ............................................................................... 32
2.3.1 Exploitation des effets stériques ........................................................................ 33
2.3.2 Exploitation du recouvrement des doubles couches électriques ...................... 35
2.3.3 Phénomènes à l’interface d’un Micro et Nanocanal ......................................... 39
2.4 Conclusion ................................................................................................................. 52
3 Matériels et méthodes ....................................................................................................... 55
3.1 Technologie ............................................................................................................... 55
3.1.1 Dessin des masques des composants ................................................................ 55
3.1.2 Etapes et empilement technologiques .............................................................. 57
3.2 Banc expérimental ..................................................................................................... 65
3.2.1 Connectiques ...................................................................................................... 65
3.2.2 Montage expérimental ....................................................................................... 66
3.3 Méthodes de caractérisation ...................................................................................... 68
3.3.1 Méthode Micro-PIV : Micro-Particles Image Velocimetry ................................. 68
3.3.2 Mesure du « streaming potential » .................................................................... 70
3.3.3 Mesure des grandeurs électrochimiques ........................................................... 71
3.3.4 Mesure du facteur de concentration ................................................................. 72
3.4 Echantillons ............................................................................................................... 72
3.4.1 Nanoparticules ................................................................................................... 72
3.4.2 Protocole de préparation de la culture bactérienne ......................................... 75
3.5 Protocole fluidique .................................................................................................... 75
3.5.1 Stabilisation des écoulements : système de vases communiquants ................. 75
v
Table des matières

3.5.2 Remplissage du composant radial ..................................................................... 76
4 Préconcentration, filtration de nanoparticules dans un dispositif micro-nanofluidique
bypass ....................................................................................................................................... 77
4.1 Introduction ............................................................................................................... 77
4.2 Mode Symétrique hydrodynamique .......................................................................... 79
4.2.1 Ecoulement tangentiel symétrique : mesure des écoulements par micro PIV . 79
4.2.2 Expériences préliminaires de préconcentration/filtration de nanoparticules :
exclusion stérique et effet d’accumulation centrale ....................................................... 81
4.2.3 Modélisation du profil de concentration dans un système bypass ................... 84
4.2.4 Cas du filtre bloquant : K 0 ............................................................................ 91
4.2.5 Cas du filtre passant : K 1 .............................................................................. 98
4.2.6 Cas du filtre partiellement passant : 0<K<1 ..................................................... 98
4.2.7 Conclusion ........................................................................................................ 105
4.3 Mode Symétrique électrodynamique ....................................................................... 107
4.3.1 Identification du phénomène prédominant dans le processus de
préconcentration cathodique ........................................................................................ 108
4.3.2 Préconcentration cathodique: quantification du facteur de concentration ... 112
4.4 Mode Asymétrique : Electro-hydrodynamique dans un dispositif classique bypass ;
ElectroLess- ElectroPreconcentration (EL-EP) ................................................................. 113
4.4.1 Mise en évidence du phénomène et premières interprétations ..................... 114
4.4.2 Modèle simplifié ............................................................................................... 116
4.4.3 Couplage des modes Symétrique et Asymétrique hydrodynamiques ............. 121
4.4.4 Un phénomène tributaire de la conductivité ................................................... 123
4.5 Conclusion ............................................................................................................... 123
5 Actionnement électrocinétique d’un dispositif radial pour la préconcentration de
nanoparticules ......................................................................................................................... 127
5.1 Introduction ............................................................................................................. 127
5.2 Expériences préliminaires ........................................................................................ 129
5.2.1 Composant ....................................................................................................... 129
5.2.2 Observations .................................................................................................... 129
5.3 Quantification de l’électropréconcentration cathodique de nanoparticules ............ 133
5.4 Conclusion ............................................................................................................... 136
6 Bilan et applications ....................................................................................................... 139
6.1 Position par rapport à l’état de l’art et bilan ............................................................ 139
6.1.1 Etat de l’art ....................................................................................................... 139
6.1.2 Bilan de nos expériences .................................................................................. 141
6.2 Perspectives et autres pistes ..................................................................................... 144
6.2.1 Introduction ...................................................................................................... 144
6.2.2 Architectures bypass ........................................................................................ 145
6.2.3 Architectures radiales ...................................................................................... 148
6.2.4 Vers un système intégré portable .................................................................... 151
6.3 Conclusion ............................................................................................................... 155
Conclusion générale ............................................................................................................... 157
Références .............................................................................................................................. 159
Annexe ................................................................................................................................... 165
vi
Liste des symboles et abréviations

Liste des symboles et abréviations

Masse volumique (en g.m3 )
u Vitesse (en m.s1)
p Pression (en Pa)
R Résistance hydraulique d’un microcanal (en )
h
r Résistance hydraulique d’un nanocanal (en )
h
D Coefficient de diffusion (en m2.s1)
D Coefficient de diffusion de Stokes-Einstein (en m2.s1)
SE
C Concentration en particules (en particules.ml1ou pl.ml1)
N Nombre d’Avogadro 6,022 1023 (en mol1)
A
R Constante des gaz parfait 8,314 (en J.mol1.K )
B
 Viscosité de l’eau 0,001 (en Pa.s1)
Re Nombre de Reynolds (sans dimensions)
Q Débit (en m3.s1)
Pe Nombre de Peclet (sans dimensions)
Pem Nombre de Peclet modifié(sans dimensions)
 Densité de charges électriques (en C.m2)
E
F Constante de Faraday (en C.mol1)
 Potentiel électrique de surface (en V )
 Constante diélectrique 7,08 10-10 (sans dimensions)
I Concentration ionique, force ionique (en M )
c
vii
Liste des symboles et abréviations

 Longueur de Debye (en m)
D
 Potentiel zêta de la surface d’un canal (en V )
 Potentiel zêta d’une particule (en V )
p
u Vitesse électroosmotique (en m.s1)
eo
u Vitesse électrophorétique (en m.s1)
ep
 Conductivité de l’EDI 2 10-5 (en S.m.1)
C Concentration molaire en particules (en M )
m
d* Distance interparticules dans l’EDI (en m)
EDI
d* Distance interparticules dans le PBS (en m)
PBS
PSI Perméabilité Sélective Ionique
ICP Io n Concentration Polarization
AF Anodic Focusing
ACGF Anodic Counter Gradient Focusing
CF Cathodic Focusing
CCGF Cathodic Counter Gradient Focusing
AD Anodic Depletion ou Dépletion Anodique
CC Cathodic Concentration ou Concentration Cathodique
RA Répulsion Anodique
EOF Flux électroosmotique
EP Flux électrophorétique
LNPs Lipidic NanoParticles ou Nanoparticules Lipidiques
RIE Reactive Ion Etching
DRIE Deep Reactive Ion Etching
viii
Liste des symboles et abréviations

FC Facteur de Concentration
SC Sample Channel
BC Buffer Channel
EDI Eau Déionisée

PBS Phosphate Buffer Saline
K Facteur de filtration
PIV Particle Image Velocimetry
EL-EP ElectroLess-ElectroPreconcentration
ROI Region Of Interest

ix
viii