Effets d’interfaces et dispositifs micro-nanofluidiques
Nos travaux les plus récents concernent les dispositifs de type MNM (Micro-Nano-Micro fluidique). Le transport ionique, sous l’effet d’une pression ou d’une tension, y est fortement influencé par le recouvrement des couches diffuses au niveau de la constriction nanofluidique. Ce recouvrement produit en effet une barrière de potentiel qui limite le passage des ions de signe opposé à ceux de la couche diffuse (comportement permsélectif). Plusieurs travaux de la littérature ont montré que ce type d’architecture permettait de préconcentrer des molécules biologiques.
Notre objectif est de développer un système MNM intégrable dans un Laboratoire-sur-Puce, et permettant d’optimiser par polarisation électrostatique les taux de préconcentration en fonction de la molécule biologique d’intérêt.
Transistor nanofluidique composé d’une structure fluidique de type MNM (Micro-Nano-Micro), avec une électrode permettant de moduler la charge de la couche diffuse par polarisation électrostatique. Le recouvrement des couches diffuses dans la partie nanofluidique perturbe le transport ionique.
Transistor nanofluidique composé d’une structure fluidique de type MNM (Micro-Nano-Micro), avec une électrode permettant de moduler la charge de la couche diffuse par polarisation électrostatique. Le recouvrement des couches diffuses dans la partie nanofluidique perturbe le transport ionique.
Originalité de notre étude :
- Etude et développement de dispositifs MNM, permettant de moduler le transport ionique par polarisation électrostatique (concept de transistor nanofluidique). Ces transistors sont réalisés à partir d’une technique de gravure photo-électrochimique du silicium développée dans l’équipe (voir axe 1).
- Intégration de membranes nanoporeuses dans des systèmes microfluidiques pour la réalisation des structures MNM. Ceci présente l’avantage, par rapport à des systèmes à nanocanal unique, de pouvoir travailler avec des volumes d’échantillons biologiques plus importants.
Travaux réalisés :
1. Technologies de fabrication de dispositifs nanofluidiques
Nous avons développé deux filières technologiques :
• Dispositifs polarisables en technologie verre/silicium/verre.
a) Schéma d’un transistor nanofluidique à membrane nanoporeuse de silicium. Le principe consiste tout d’abord à réaliser une membrane nanoporeuse par gravure photo-électrochimique du silicium, puis à réaliser les microcanaux par collage anodique de deux plaques de verre. b) Exemple de réseau de pores réalisés par gravure photo-électrochimique du silicium (période 1µm, largeur des pores 200nm)
• Dispositifs en technologie verre/adhésif/verre, avec intégration d’un matériau nanoporeux.
a) Schéma d’un dispositif MNM réalisé par xurography (découpe des microcanaux dans un adhésif double face) et intégration d’une membrane nanoporeuse de Nafion. L’adhésif permet de contre-coller deux plaques de verre pour fermer les microcanaux. b) Photo du dispositif final.
2. Etudes fondamentales
• Caractérisation et modélisation de la charge de surface (ou du potentiel ) d’une interface diélectrique/électrolyte.
Nous avons développé un banc de mesure permettant de caractériser la charge de surface d’une interface diélectrique/électrolyte par courants d’écoulement, ainsi qu’un modèle numérique permettant de modéliser le potentiel en tenant compte les diverses réactions chimiques pouvant intervenir à l’interface (modèle Site-Binding).
a) Mesures et modélisation du potentiel d’une interface silice/électrolyte en fonction du pH. b) Mesures et modélisation du potentiel d’une interface silice/électrolyte en fonction de la concentration en KCl.
• Caractérisation et modélisation du phénomène de polarisation des interfaces diélectrique/électrolyte.
La caractérisation de la polarisation est effectuée par courants d’écoulement ou par sonde AFM colloïdale.
a) Dispositif microfluidique de type verre/Kapton/diélectrique/silicium permettant de caractériser les interfaces polarisables par courants d’écoulement. b) Photo du dispositif microfluidique.
a) Principe d’une mesure de force par AFM à sonde colloïdale en milieu liquide : à l’approche, lorsque les couches diffuses (en mauve) de la sonde et de la surface s’interpénètrent, le levier AFM subit une déflection due aux forces d’interaction électrostatique. b) Courbe de force typique dans le cas d’une interaction répulsive. Les mesures de force sont ainsi très sensibles à la quantité de charges présentes dans la couche diffuse du substrat, et donc à la polarisation des interfaces diélectrique/électrolyte. Les courbes en pointillés représentent les modulations théoriques des courbes de forces liées à un déplacement de charges de +/- 1mC/m².
3. Applications
L’objectif à terme est d’intégrer la fonction de préconcentration dans un Laboratoire-sur-Puce.
Mise en évidence du phénomène de préconcentration dans une structure MNM basée sur une membrane de Nafion. Dans cette expérience la fluorescéine est utilisée comme molécule d’étude. Un taux de préconcentration >5000 est obtenu pour une concentration initiale de 10-5 M.
Collaborations :
ILM, ISA Lyon, LMI Lyon, KTH
Participants : M-C. Audry, L. Renaud, P. Kleimann
