Technologies, caractérisation et Instrumentation

Développements de technologies, de matériaux, de méthodes de caractérisation, et d’instrumentations spécifiques Cet axe transversal regroupe les développements de procédés technologiques, de techniques de caractérisation et d’instrumentation réalisés au sein du groupe dans le cadre de nos travaux sur les Laboratoires sur Puce. Quelques exemples sont présentés sur cette page :

A) Caractérisations par AFM à sondes colloïdales

Le microscope à force atomique, couplé à l’utilisation d’une sonde colloïdale, est un outil de choix pour mener des caractérisations ciblées en parallèles des expériences en micro-fluidique. En effet, il permet d’acquérir avec une grande sensibilité les forces d’interaction entre la sonde et la surface d’intérêt lors de l’approche et du retrait de la sonde par rapport à l’échantillon étudié (figure xx-a). Ces expériences permettent notamment de mesurer la charge de surfaces des matériaux en milieu aqueux (figure xx-b), la force de piégeage magnétophorétique générée par micro-concentrateurs de champ magnétique ou par des micro-aimants (figure xx-c), ainsi que les propriétés mécaniques de cellules.

a) Schéma d’un levier AFM équipé d’un colloïde de quelques micromètres de rayon permettant d’avoir une géométrie contrôlée et d’intensifier les interactions, le laser réfléchi en bout de levier est détecté par une photodiode quatre-cadrants afin de mesurer les déflexions du levier lors de l’approche et du retrait de la sonde par rapport à la surface. b) Cas d’une répulsion électrostatique entre une sonde et un échantillon de borosilicate permettant de mesurer la charge de surface. c) Cas d’une attraction magnétique entre une sonde superparamagnétique et un microconcentrateur de champ magnétique. d) Cas d’une indentation de la sonde dans un substrat mou.

 

B) Usinage par microélectroérosion

 

 

 

 

C) Procédé technologique : La Xurographie, une méthode simple, rapide et peu coûteuse pour l’élaboration de puces microfluidiques

La « xurographie », littéralement, « écriture avec un couteau » en grec, consiste à utiliser un traceur de découpe pour former des systèmes microfluidiques par assemblage de matériaux adhésifs dans lesquels les canaux sont formés en 2D. Cette méthode de fabrication est maintenant utilisée dans l’équipe LOCI depuis une dizaine d’années, et de nombreux projets de recherche ont été permis par son développement : puces microfluidiques pour la mesure de viscosité de fluides newtoniens, biopiles microfluidiques à combustibles, puces de préconcentrations de molécules, études de dissolution acide de géomatériaux (calcite, etc…), mesure de pollution d’eaux de surface en utilisant des algues comme biocapteurs, etc…
Le principal intérêt de la xurographie réside dans son coût, car une telle machine de découpe coûte typiquement 1000 euros, tandis que les adhésifs les plus courants sont pour leur part proposés à quelques euros seulement par m². Un deuxième grand avantage réside dans la rapidité avec laquelle du prototypage rapide est possible par xurographie : entre le dessin de la puce et sa réalisation, quelques minutes seulement suffisent, et un expérimentateur entraîné peut former facilement quelques dizaines de puces microfluidiques par heure de travail, ce qui est très avantageux par rapport à la lithographie molle sur PDMS, par exemple. La xurographie nous a aussi permis de proposer à la littérature des designs de systèmes microfluidiques pseudo-3D (i.e. multi-niveaux).

Puce microfluidique

 

Puce microfluidique multi-niveaux réalisée par xurographie

 

Collaborations :
– Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels Anthropisés (LEHNA, UMR5023, Vaulx-en-Velin)
– Laboratoire des Sciences Analytiques (LSA, UMR 5180, Villeurbanne)
– Institut Européen des Membranes (IEM, UMR 5635, Montpellier)
– Condensed Matter Physics group, Physics Department, University of Oslo, Norway

Participants : L. Renaud, P. Kleimann, M-C Audry, J-F Chateaux

 

D) Procédé technologique : Micro-nanostructuration par gravure photo-électrochimique du silicium

La gravure électrochimique du silicium est largement employée pour la formation de silicium poreux depuis les années 1990. Nous nous sommes spécialisés dans la gravure photoélectrochimique du silicium de type n, et avons pu montrer qu’elle permettait la réalisation de micro-nanostructures à grands facteurs de forme, et notamment la réalisation de membranes nanoporeuses à fortes densités (10 pores/µm²), pouvant être utilisées pour la préconcentration moléculaire (voir axe 2).

 

Micro-nanostructuration par gravure photo-électrochimique

 

Collaborations :
– Equipe i-Lum
– LAAS (Toulouse), LTM (Grenoble), Materials and Nano Physics Department ICT School KTH Royal Institute of Technology (Stockholm).

Participants : P. Kleimann

 

E) Instrumentation : Fluorimètre de terrain pour la surveillance de l’environnement.

Les acteurs de la surveillance de l’environnement, et plus particulièrement de la surveillance des eaux de surface (lac, rivières, bassins versants d’orage ou les eaux pluviales urbaines…) sont demandeurs d’outils simples et économiques, pouvant être utilisés sur le terrain et permettant de détecter une anomalie. De tels outils d’alerte permettent de minimiser et de rationaliser le recours aux analyses en laboratoire qui sont longues et couteuses tant en moyens humains que financiers.

Dans ce cadre, nous avons développé en étroite collaboration avec le Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels Anthropisés (LEHNA) une chaine instrumentale complète permettant de mesurer sur le terrain la fluorescence chlorophyllienne d’algues unicellulaires. Ces mesures permettent d’évaluer l’état physiologique de leur appareil photosynthétique, marqueur reconnu de la présence de nombreux polluants (en particulier les pesticides). Dans notre approche, les algues unicellulaires sont injectées dans un système microfluidique simple réalisé par xurographie. Cette méthode de fabrication propose un coût de revient très faible, de l’ordre de quelques dizaines de centimes par puce, et elle est potentiellement industrialisable. Deux compartiments permettent de réaliser une mesure différentielle entre des algues exposées à un milieu de référence et des algues exposées au milieu à tester. Ces puces microfluidiques sont insérées dans un système intégrant l’optique et l’électronique permettant la mesure de la fluorescence chlorophyllienne.

Systèmes microfluidiques d’encapsulation des algues réalisés par xurographie

Systèmes microfluidiques d’encapsulation des algues réalisés par xurographie

 

Fluorimètre de terrain pour puces microfluidiques

Fluorimètre interfacé au PC de contrôle

Fluorimètre interfacé au PC de contrôle

 

Collaborations :
Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels Anthropisés (LEHNA, UMR5023, Vaulx-en-Velin)

Financements :

Projet Algues-on-Chip (PEPS Avenir Lyon Saint-Etienne 2016 )
Projet BELUGA (ANR-18-CE04-0007, 09/2018 – 09/2022)
Participants : J-F. Chateaux, L. Renaud

 

F) Instrumentation : Instrument de criblage pour la recherche de molécules thérapeutiques.

La découverte d’une molécule d’intérêt thérapeutique contre un pathogène (bactérie, virus, parasite) peut impliquer la recherche de la molécule la plus efficace par criblage au sein d’une chimiothèque pouvant comporter plusieurs milliers de molécules candidates. Afin de réaliser ce criblage dans des délais raisonnables, des méthodes et instruments spécifiques doivent être développés. Les laboratoires ICBMS (Institut de Chimie et Biochimie Moléculaire et Supramoléculaire, Lyon) et ICCF (Institut de chimie de Clermont-Ferrand) collaborent depuis plusieurs années au développement d’une approche électrochimique innovante de mesure de l’activité d’une famille d’enzymes (les transcétolases (TKT)) présentes dans tous les organismes et ayant un potentiel thérapeutique. Dans le cadre d’une recherche systématique par criblage, une instrumentation spécifique doit être développée. C’est dans ce cadre qu’une collaboration a été nouée entre ces laboratoires et l’équipe LOCI (Lab-on-Chip and Instrumentation) de l’INL, en raison de ses compétences en instrumentation.

De façon très succincte, le système développé permet d’appliquer un protocole électrochimique de type ampérométrique (Itermittent Pulse Amperometry (IPA)) à une matrice de 96 paires d’électrodes sérigraphiées sur un circuit imprimé. Afin de donner à l’utilisateur un maximum de souplesse, chaque paire d’électrodes doit pouvoir être polarisée à un potentiel indépendant de toutes les autres. La matrice doit pouvoir être balayée plusieurs fois par seconde, la gamme des courants mesurés doit pouvoir aller jusqu’aux nano-ampères et les données doivent pouvoir être visualisées en temps réel. Il s’agit donc d’un développement ambitieux et un premier prototype est en court de finalisation. Il est par ailleurs envisagé un transfert industriel auprès d’une société de la région lyonnaise spécialisée dans le développement et la commercialisation d’instruments pour l’électrochimie.

Synoptique du système IPA 96 voies

Premier prototype intégrant l’interface analogique et les circuits logiques de commande

 

Collaborations :
Institut de Chimie et Biochimie Moléculaire et Supramoléculaire (ICBMS, UMR 5246, Lyon)
Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICC, Clermont-Ferrand)
OrigaLys ElectroChem SAS (Rillieux-la-Pape)

Financements : Projet CEITOP (Région Auvergne-Rhone-Alpes, Pack Ambition Recherche)

Participants : J-F. Chateaux

INL CNRS
Principe du lab-on-disc pour la surveillance de l’environnement
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