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SYSTEME POUR MANIPULER PAR DIELECTROPHORESE DES PARTICULES
DIELECTIRIQUES, EN PARTICULIER DES CELLULES BIOLOGIQUES.
L'invention concerne un système pour manipuler par
diélectrophorèse des particules diélectriques, en particulier des cellules
biologiques.
D'une manière générale, la diélectrophorèse découverte en 1951
par POHL désigne la force exercée par un champ électrique alternatif non
uniforme
sur une particule polarisable, mais non nécessairement pourvue d'une charge
électrique.
L'une des applications importantes de la diélectrophorèse concerne
la séparation de particules en suspension dans un milieu. Si une particule est
davantage polarisable que son milieu de suspension, la force de
diélectrophorèse
sera positive et'i la particule sera dirigée vers une région où le champ
électrique local
est maximum t, dans le cas contraire, la particule sera dirigée vers une
région où
le champ élect igue local est minimum. D'une manière générale, la distribution
du
champ électrique dépend de la géométrie des électrodes, et la force de
diélectrophorèse varie avec la fréquence en fonction des propriétés
diélectriques du
milieu et des particules.
'Un but de l'invention est de concevoir un système à haute densité
2 o ou à fort degré d'intégration pour pouvoir manipuler un grand nombre de
particules,
ce qui implique une conception particulière pour la disposition des électrodes
et leur
alimentation.
A cet effet, l'invention propose un système pour manipuler par
diélectrophorèse de particules diélectriques, qui sont en suspension dans un
milieu
et soumises à l'action d'un champ électrique alternatif dont la répartition
est rendue
non uniforme au moyen d'un réseau régulier d'électrodes apte à définir des
zones
locales où le champ électrique est minimum pour concentrer des particules dans
ces zones locales par suite de l'action de forces de diélectrophorèse
négatives,
caractérisé en ce que le réseau d'électrodes est formé à la surface d'un
support
3o multi-couche, et en ce que les électrodes de même polarité du réseau sont
reliées à
un plot d'alimentation commun au travers de deux réseaux de pistes
conductrices
qui sont formées à un niveau intermédiaire situé en dessous du réseau
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d'électrodes, caque zone locale étant délimitée par au moins deux paires
d'électrodes, le ombre de paires d'électrodes pouvant être pair ou impair.
De préférence, selon un mode de réalisation, le support multi-
couche comprend au moins un support de base, une couche conductrice déposée
sur le support de base pour former les deux réseaux de pistes conductrices, et
une
couche isolante déposée sur la couche conductrice pour former le réseau
d'électrodes, le réseau d'électrodes étant connecté aux réseaux de pistes
conductrices au travers de trous traversant la couche isolante.
De préférence, selon un mode de réalisation, les électrodes sont
l o régulièrement espacées suivant plusieurs lignes parallèles à un axe X, les
électrodes d'une ligne ont la même polarité, les électrodes de deux lignes
adjacentes ont des polarités opposées, et les zones locales de concentration
de
particules sont régulièrement espacées suivant plusieurs lignes parallèles à
l'axe X,
e préférence, d'une manière générale, le système comprend
également une hambre formée au-dessus du support pour recevoir des particules
en suspension, cette chambre étant délimitée par exemple par un joint
d'étanchéité
qui entoure au moins le réseau d'électrodes et par une plaque rapportée sur le
joint,
ainsi qu'une source de tension alternative pour alimenter les deux plots de
connexion aux électrodes.
A titre d'exemple, le support multi-couche peut supporter un réseau
d'électrodes aptq à définir un nombre de zones locales de l'ordre de 1000 à 50
000
pour un support ayant un centimètre de côté.
D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention
ressortiront de la description explicative qui va suivre en référence à des
dessins
annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique de dessus d'un exemple de
réseau d'électro es formé à la surface d'une couche isolante supérieure d'un
support multicou he et qui peut être utilisé pour manipuler par
diélectrophorèse des
particules diélect iques,
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- la figure 2 est une vue de dessus de deux réseaux de
pistes conductrices qui alimentent le réseau d'électrodes de la figure 1,
- la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la
figure 1 pour illustrer la position des réseaux de pistes conductrices de la
figure 2 par rapport au réseau d'électrodes de la figure 1,
- les figures 4 et 5 illustrent de façon schématique deux
autres formes de réalisation possibles pour le réseau d'électrodes de la
figure
1,
les figures 6a et 6b illustrent deux autres formes
d'électrodes, et
- la figure 7 est une vue schématique d'un mode de
réalisation d'un système pour manipuler par diélectrophorèse des particules
diélectriques en suspension dans un milieu en contact avec le réseau
d'électrodes des figures 1, 4 ou 5.
Selon l'exemple illustré aux figures 1 à 3, un réseau régulier R
d'électrodes El et E2 est formé à la surface de la couche supérieure isolante
d'un support multicouche 1, et connecté à deux plots d'alimentation Pl et P2
par deux réseaux RI et R2 de pistes conductrices Cl et C2. Le réseau R
d'électrodes El et E2 est conçu pour répartir de manière non uniforme un
champ électrique alternatif appliqué à partir des deux plots d'alimentation Pl
et P2, et pour délimiter à la surface de la couche isolante I des zones
locales
L régulièrement espacées où le champ électrique sera minimum.
D'une manière générale, une zone locale L est délimitée par
un groupement élémentaire d'au moins deux paires d'électrodes, ce qui
correspond à l'exemple illustré sur la figure 1. Les électrodes El et E2 sont
régulièrement espacées suivant plusieurs lignes parallèles à un axe X,
sachant que les électrodes d'une ligne ont la même polarité, et que les
électrodes de deux lignes adjacentes ont des polarités opposées. Autrement
dit, des lignes d'électrodes E2 sont intercalées entre des lignes d'électrodes
El, ou inversement.
Chaque zone locale L à champ électrique minimum est ainsi
délimitée entre deux électrodes adjacentes El ou E2 d'une même ligne, et
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deux électrodes E2 ou El en vis-à-vis et respectivement situées sur les deux
lignes adjacentes à ladite ligne. Dans cet exemple, une même électrode El ou
E2 peut être ainsi utilisée pour définir quatre zones locales L, et les
électrodes
de deux lignes adjacentes sont disposées en quinconce.
Les figures 2 et 3 illustrent la connexion des électrodes El et
E2 aux deux plots d'alimentation Pl et P2. Cette connexion est assurée par les
deux réseaux R1 et R2 de pistes conductrices Cl et C2 parallèles et qui
s'étendent également suivant l'axe X. Ces deux réseaux R1 et R2 sont
respectivement reliés aux deux plots d'alimentation Pl et P2 qui bordent le
réseau R d'électrodes El et E2 en s'étendant suivant un axe Y perpendiculaire
à l'axe X., Chaque plot d'alimentation Pl et P2 forme un peigne avec son
réseau associé R, ou R2 de pistes conductrices, et les deux peignes sont
imbriqués l'un dans l'autre (figure 2). Les deux réseaux R1 et R2 sont logés
dans la couche isolante I, c'est-à-dire que la connexion des électrodes El et
E2 s'effectue à un niveau différent de celui où elles sont situées (figure 3),
de
manière à ce que le principe de connexion des électrodes reste indépendant
du nombre des électrodes adopté.
Un exemple de fabrication du réseau R d'électrodes et des
réseaux RI et R2 de connexion aux plots d'alimentation Pl et P2, est illustré
sur la figure 3 en partant d'un support de base 2 constitué d'une tranche de
silicium monocristallin faiblement dopé pour réaliser les réseaux R, R1 et R2.
Dans une première étape, on forme par oxydation une
couche d'oxyde de silicium 3 qui recouvre la surface du substrat 1 sur une
épaisseur de l'ordre de 500nm pour éviter le passage des lignes de champ
électrique via le substrat 1. Dans une deuxième étape, on recouvre la couche
3 par une couche conductrice 5 en aluminium par exemple qui est déposée
par évaporation sur une épaisseur de l'ordre de 300nm, et on forme les
réseaux Ri et R2 de pistes conductrices Ci et C2, ainsi que les plots
d'alimentation Pl et P2, par photolithographie et gravure humide de
l'aluminium. Dans une troisième étape, la couche isolante I en oxyde de
silicium déposée suivant la technique APCVD ("Atmospheric Pressure
Chemical Vapor Déposition" en langue anglaise) ou une autre technique par
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pulvérisation ( sputtering en langue anglaise) par exemple, vient recouvrir
l'ensemble et, au moyen d'un masque et par photolithographie et une gravure
plasma de la couche d'oxyde au SF6, on réalise de petites ouvertures 9
régulièrement espacées le long des pistes conductrices Ci et C2 ainsi que
5 deux grandes ouvertures 11 au niveau des plots d'alimentation Pl et P2. Dans
une quatrième étape, on évapore sur l'ensemble une nouvelle couche
conductrice 13 en aluminium sur une épaisseur supérieure de l'ordre de
100nm à celle de la couche inférieure I et qui vient combler les ouvertures 9
et 11 pour assurer la connexion avec les réseaux Ri et R2 de pistes
conductrices Cl et C2. Enfin, dans une cinquième étape par photolithographie
et gravure de l'aluminium, on dessine la forme du réseau R d'électrodes El et
E2.
En variante de ce mode de réalisation, le support de base 2
peut être une lame de verre et, on peut envisager de réaliser le réseau R
d'électrodes ainsi que les réseaux Ri et R2 en un autre matériau que
l'aluminium, l'or ou le chrome par exemple, en adaptant la technique de
fabrication au métal choisi. En effet, selon l'invention, il est important que
le
réseau R d'électrodes El et E2 et sa connexion aux plots d'alimentation Pl et
P2 par les deux réseaux Ri et R2, soient situés à des niveaux différents,
c'est-à-dire que le support 1 est de type multi-couche.
Cette caractéristique donne la possibilité de fabriquer un
dispositif à haut degré d'intégration. A titre d'exemple non limitatif, on
peut
fabriquer un dispositif de 1 cm de côté avec de 1 000 à 50 000 zones locales
L. Si les figures 1 à 3 n'illustrent qu'un nombre réduit d'électrodes El, E2
et de
zones locales L, ce n'est uniquement que pour des raisons de clarté des
dessins.
Sur les figures 4 et 5, on a schématiquement illustré deux
autres formes possibles pour le réseau R d'électrodes El et E2, sachant que
les électrodes El et E2 sont reliées aux plots d'alimentation Pl et P2 par
deux
réseaux Ri et R2 de pistes conductrices Cl et C2 d'une manière similaire à
l'exemple illustré sur la figure 2. Chaque zone locale L est délimitée par
trois
paires d'électrodes El et E2 selon la figure 4, et par quatre paires
d'électrodes
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El et E2 selon la figure 5. Il ressort de ces exemples, qu'une zone locale L
est
définie à partir d'au moins deux paires d'électrodes E, et E2, sachant que le
nombre
de paires d'électrodes peut être pair ou impair.
~elon l'exemple de la figure 1, les électrodes E, et E2 ont
globalement une forme ovoïde ou en pétale de fleur, et quatre électrodes qui
délimitent une zone locale L forment globalement une trèfle à quatre feuilles,
et une
forme ronde da s l'exemple des figures 4 et 5, sachant que l'on peut envisager
d'autres formes, comme par exemple une forme carrée (figure 6a) ou une forme
sensiblement ça rée (figure 6b), symétrique avec au moins quatre coins (figure
6b),
lo chaque coin d'un électrode pointant vers le centre d'une zone locale L.
lin mode de réalisation d'un système pour manipuler des particules
diélectriques est schématiquement illustré sur la figure 7. Le système
comprend un
substrat 1 tel que défini précédemment et avec son réseau R d'électrodes El et
E2,
un joint d'étanchéité 20 en silicone qui entoure le réseau R et une plaque de
verre
22 rapportée sur le joint 20 pour délimiter une chambre 25 destinée à recevoir
des
cellules biologiques par exemple en suspension dans un milieu et introduites
dans
la chambre 25 au moyen d'une pipette par exemple. Les deux plots Pl et P2 sont
connectés à une source 30 de tension alternative. Bien entendu, la chambre 25
pourrait être réalisée différemment.
D''une manière générale, ce système est plus particulièrement
conçu pour appliquer aux cellules en suspension dans la chambre 25 des forces
de
diélectrophorèse négatives.
A cet effet, on joue sur la fréquence du champ électrique et on
choisit une cond ctivité électrique appropriée pour faire en sorte que le
milieu soit
plus polarisable que les particules à manipuler, et pouvoir ainsi diriger les
particules
vers la partie centrale des zones locales L par suite de l'action de forces de
diélectrophorèse égatives pour les concentrer suivant un réseau matriciel.
E jouant sur les paramètres du champ électrique, on peut
avantageusement diriger les particules au point central des zones locales L
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de manière à favoriser des concentrations de particules régulièrement
réparties à la surface de la couche isolante I du support 1.
Pour matérialiser ce résultat, on a illustré sur la figure 1 des
concentrations de particules c qui sont présentes dans la partie centrale des
zones locales L et régulièrement réparties à la surface du substrat 1.
A titre d'exemple, on alimente les deux plots Pl et P2 avec
une tension alternative sinusoïdale d'environ 5 à 10 volts crète-à-crète, et
on
fait varier la fréquence dans une gamme de l'ordre de 10kHz à 10MHz. Selon
un exemple particulier, pour un milieu de conductivité 300pS.cm-1, une
fréquence de 100kHz environ et une tension sinusoïdale d'environ 5 volts
crète-à-crète, on parvient à regrouper des billes en latex d'un diamètre de
3pm, sachant que les paramètres du champ électrique et la conductivité du
milieu doivent être ajustés en fonction de la particule à manipuler.
Une fois que les cellules ont été réparties à la surface du
substrat, il est possible de procéder à leur électroporation ou à leur lyse
selon
les applications envisagées. D'une manière générale, le système selon
l'invention peut être utilisé pour effectuer un criblage à haut débit de
produits
pharmacologiques, un transfert de gènes dans des cellules, ..., et pour
séparer deux espèces de cellules en solution, une espèce étant orientée vers
le centre des zones locales délimitées entre les électrodes, alors que l'autre
espèce sera orientée vers les électrodes.
