Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02568805 2012-01-10
DISPOSITIF DE MANIPULATION DE GOUTTES DESTINE A
L'ANALYSE BIOCHIMIQUE, PROCEDE DE FABRICATION DU
DISPOSITIF, ET SYSTEME D'ANALYSE MICROFLUIDIQUE
La présente invention a pour objet un dispositif de manipulation de
gouttes destiné à l'analyse biochimique, un procédé de fabrication d'un tel
dispositif, ainsi qu'un système d'analyse microfluidique utilisant un tel
dispositif.
De nos jours, les nouvelles technologies permettent de concevoir
des systèmes de taille micro et nanométrique jusqu'à des niveaux de
complexité importants. Idéalement, ces systèmes sont pourvus de toutes
sortes de fonctionnalités, et sont utilisés dans de nombreux domaines tels
que la biologie ou la biochimie. En particulier, la protéomique, activité liée
à l'identification et l'étude des protéines, tente d'utiliser les nouvelles
technologies pour réduire les volumes échantillonnés que l'on manipule, et
diminuer la contamination. L'objectif est, d'une manière générale, de
contrôler la micromanipulation du matériel, avant analyse spectrométrique
par exemple.
Dans de tels microsystèmes se pose de façon stratégique la
problématique de la maîtrise des écoulements fluidiques, dans la mesure
où le matériel, par exemple des protéines, ne peut être manipulé hors d'un
support liquide. L'invention se rapporte donc au domaine de la
microfluidique qui concerne plus généralement les écoulements dans des
systèmes de taille micrométrique ou nanométrique, dans lesquels
l'échantillon manipulé peut être soumis à des champs électriques ou à des
effets de paroi de nature physique ou chimique complexes, et dans
lesquels le rapport élevé surface/volume a une grande importance.
Dans ce domaine, la réduction de la taille des systèmes engendre
une diminution des volumes, des temps de réaction ou d'échange plus
courts, et une possibilité d'intégrer plusieurs modules avec des
fonctionnalités différentes comme par exemple le transport, le traitement,
CA 02568805 2012-01-10
2
ou encore l'analyse, le tout sur une même tranche de silicium par
exemple.
Pour transporter le liquide, deux types de déplacement fluidique
sont généralement possibles : le pompage d'un flux continu, et le
déplacement de microvolumes calibrés. Le déplacement de microvolumes
calibrés présente un certain nombre d'avantages. En effet, il autorise des
volumes de liquides très petits et permet un contrôle adapté du débit des
microvolumes alors que le pompage à flux continu est caractérisé par un
débit constant. Par ailleurs, ce type de déplacement autorise des
1o synchronisations variées qui permettent le mélange des liquides par
exemple. Pour mettre en oeuvre un déplacement fluidique de type
déplacement de microvolumes calibrés, on connaît différents modes
d'action : par action pneumatique, par ondes acoustiques de surface, à
effet diélectrophorétique, par électromouillage, et par électromouillage sur
diélectrique (EWOD). Ce dernier mode d'action fait appel à une réalisation
technologique relativement simple et permet le contrôle du débit et la
circulation d'un volume calibré de liquide conducteur sur un réseau
d'électrodes.
On connaît en particulier le brevet américain US 6 565 727, et la
publication de Cho et al. Particle separation and concentration control
for digital microfiuidic systems , qui décrivent le déplacement de gouttes
par électromouillage, tel que décrit ci-dessus. Les dispositifs décrits dans
ces trois publications présentent cependant une partie inférieure intégrant
des électrodes et une partie supérieure intégrant des contre-électrodes,
parties entre lesquelles se déplace la goutte. Cette partie supérieure rend
le dispositif en particulier plus encombrant et plus complexe.
Par ailleurs, les échantillons manipulés sont souvent très précieux
et en très faible quantité. Il existe donc un besoin d'optimiser la
manipulation de ces échantillons, en traitant chimiquement ou en
3 0 interagissant avec le matériel au cours de son transport. Les systèmes de
déplacement microfluidiques connus, qu'ils nécessitent deux substrats en
CA 02568805 2012-01-10
3
vis-à-vis ou un seul substrat, qu'ils utilisent une contre-électrode ou non,
ne permettent pas cette optimisation. En effet, en particulier dans la
publication de Cho et al. Particle separation and concentration control for
digital microfluidic systems , est proposé un dispositif qui permet
d'interagir avec la goutte physiquement par interaction directe entre les
électrodes et la goutte pendant son transport, et non d'interagir
chimiquement. Cette interaction chimique nécessaire pour l'optimisation
de la manipulation des échantillons est donc impossible dans le dispositif
de Cho et al.
En effet, cette optimisation est rendue extrêmement délicate par le
fait que le déplacement nécessite une ou plusieurs pistes en matériaux
hydrophobes afin de limiter les frottements et l'hystérésis aux
déplacements. Ce caractère hydrophobe de la piste de déplacement
empêche notamment de traiter chimiquement ou d'interagir avec le
matériel pendant son transport.
Il faut noter ici que l'on s 'intéresse plus généralement à la propriété
de non mouillabilité de la piste de déplacement vis à vis d'un liquide
quelconque. Lorsque le liquide est aqueux, comme c'est généralement le
cas lorsque l'on manipule des protéines par exemple, la non mouillabilité
et la mouillabilité vis à vis de l'eau sont respectivement les propriétés
d'hydrophobicité et d'hydrophilie. Un matériau hydrophobe est un matériau
non mouillant vis à vis de l'eau, et un matériau hydrophile est un matériau
mouillant vis à vis de l'eau. On caractérise généralement la mouillabilité
par l'angle 8 de contact entre la goutte 1 et la surface 2 (voir figures la à
1d). On utilise parfois lé coefficient de mouillabilité défini comme étant le
cosinus de l'angle précité. Une mouillabilité parfaite correspond ainsi à un
coefficient de mouillabilité égal à 1, donc à 0 = 0 . Une absence totale de
mouillabilité correspond par ailleurs à un coefficient de mouillabilité égal à
-1, donc à 0 = 180 . Par la suite, nous parlerons donc de matériau
mouillant vis à vis d'un liquide pour un matériau dont le coefficient de
mouillabilité par ce liquide tend vers 1 (sans être nécessairement égal à
CA 02568805 2012-01-10
4
1), comme illustré à la figure la, et nous parlerons de matériau non
mouillant vis à vis d'un liquide pour un matériau dont le coefficient de
mouillabilité vis à vis de ce liquide tend vers -1 (sans être nécessairement
égal à -1) comme illustré à la figure lb. Les figures l c et l d illustrent
des
cas intermédiaires respectivement de mouillabilité (0 < 90 ) ou non
mouillabilité (0 > 90 ).
Le problème posé par les matériaux non mouillants vis à vis d'un
liquide, en particulier les matériaux hydrophobes, par ailleurs
indispensables au déplacement, est que les propriétés de surface de ces
matériaux empêchent de créer des zones de traitement chimique en
surface de par le fait que ces matériaux sont caractérisés par une faible
énergie de surface. Si l'on essaie de fonctionnaliser localement la surface
de tels matériaux, ce qui permettrait de traiter chimiquement les liquides
manipulés, le résultat est peu fiable, difficilement contrôlable et trop
imparfait. L'alternative consistant à rendre plus rugueux le matériau non
mouillant vis à vis du liquide n'est pas envisageable car elle fait perdre la
capacité du matériau à favoriser le transport du liquide. Il faut donc
utiliser
une couche de matériau qui soit partiellement mouillante, c'est-à-dire qu'il
faut maintenir le caractère non mouillant pour le déplacement, tout en
créant des zones mouillantes ou à forte mouillabilité pour la
fonctionnalisation.
Appliqué au cas particulier où le matériau considéré est
hydrophobe, on connaît principalement deux techniques
photolithographiques classiques de création d'une couche partiellement
hydrophobe par création d'ouvertures dans un matériau hydrophobe, les
ouvertures devenant des zones hydrophiles réparties dans la couche
hydrophobe. Dans une première technique (figure 5), également utilisée
par Cho et al. dans Particle separation and concentration control for
digital microfluidic systems , après dépôt d'une couche de matériau
3o hydrophobe sur un substrat, une couche de résine photosensible est
déposée qui contient un surfactant, produit chimique permettant
CA 02568805 2012-01-10
d'augmenter la mouillabilité d'une surface vis à vis d'un liquide. Cette
technique pose notamment le problème de la pollution définitive du
matériau hydrophobe et donc de la perte de la capacité de ce matériau à
favoriser le déplacement d'un liquide. Dans la deuxième technique (figure
5 6), après dépôt d'une couche de matériau hydrophobe sur un substrat, et
avant dépôt d'une résine photosensible, la couche de matériau
hydrophobe est d'abord soumise à une modification de surface à l'aide
d'un plasma, pour modifier ses propriétés hydrophobes, c'est-à-dire pour
la rendre moins hydrophobe. Cette technique pose également le problème
lo de la modification définitive des propriétés de surface du matériau
hydrophobe.
Avec de telles techniques, soit les ouvertures créées, donc les
zones hydrophiles, ne sont pas suffisamment nettes et précises, avec des
éventuels dépôts hydrophobes, et en conséquence une inadaptation à la
création de zones chimiquement fonctionnalisées, soit les zones
hydrophobes voient leurs propriétés modifiées et leur caractère
hydrophobe diminué, avec pour conséquence une inadaptation au
déplacement de liquide. Les mêmes constatations peuvent être faites
dans le cas d'une application de ces techniques pour la réalisation de
zones mouillantes dans une couche non mouillante vis à vis du liquide
transporté.
Il existe donc un besoin d'un procédé qui permette de rendre une
piste de transport non mouillante partiellement mouillante vis à vis du
liquide transporté, en particulier partiellement hydrophile lorsque le liquide
est une solution contenant de l'eau, de telle sorte que la capacité à
transporter la goutte de liquide soit maintenue, tout en autorisant le
traitement chimique ou l'interaction avec cette goutte pendant son
transport.
Plus généralement, il existe un besoin d'une solution fiable qui
permette de pallier les inconvénients précités, notamment l'optimisation du
déplacement et la fabrication d'une piste de déplacement optimisée.
CA 02568805 2012-01-10
6
C'est donc l'objet de l'invention que de pallier ces inconvénients. A
cette fin, l'invention se rapporte selon un premier aspect à un dispositif de
manipulation de gouttes sur un plan de déplacement par électromouillage
qui comprend au moins une piste de déplacement par électromouillage et
qui permet de traiter chimiquement ou d'interagir avec la goutte
simultanément à son transport.
La piste de déplacement comprend au moins deux électrodes
interdigitées qui reposent sur un substrat électriquement isolant et qui sont
recouvertes par une couche diélectrique isolante. Cet ensemble substrat
io isolant, électrodes, couche diélectrique isolante, est recouvert d'une
couche partiellement mouillante vis à vis des gouttes manipulées.
Dans une variante de réalisation concernant la manipulation de
gouttes contenant de l'eau, la couche partiellement mouillante est donc
une couche partiellement hydrophile.
Dans le reste de la description, et pour simplifier la rédaction, on
parlera de couche ou de matériau respectivement non mouillant,
partiellement mouillant, ou mouillant, pour une couche ou un matériau
respectivement non mouillant, partiellement mouillant, ou mouillant, vis à
vis des gouttes manipulées.
Le dispositif de l'invention comprend, dans une autre variante de
réalisation, au moins une contre-électrode distincte des premières
électrodes. Cette contre-électrode peut être une ligne de masse qui sera
alors située sur, sous ou dans la couche partiellement mouillante.
Dans une variante de réalisation, éventuellement en combinaison
avec la précédente, le dispositif comprend une deuxième piste positionnée
de façon opposée à et séparée de la première piste de telle sorte qu'un
espace, destiné à être rempli par un fluide électriquement isolant non
miscible vis à vis de la goutte transportée, est formé entre les première et
deuxième pistes, la deuxième piste comprenant une couche non
3 0 mouillante directement en contact avec l'espace ainsi formé. Cette couche
non mouillante de la deuxième piste est éventuellement partiellement
CA 02568805 2012-01-10
7
mouillante. Cette couche non mouillante est également éventuellement
recouverte d'une couche supérieure qui est soit électriquement isolante,
semi-conductrice, ou conductrice.
Dans une autre variante de réalisation, la deuxième piste comprend
une ou plusieurs contre-électrodes situées entre la couche non mouillante
et la couche supérieure. Elle comprend éventuellement une couche
diélectrique isolante qui sera située entre ladite couche non mouillante et
la ou les dites contre-électrodes.
Eventuellement, en combinaison avec chacune de ces variantes de
lo réalisation du dispositif, la couche partiellement mouillante de la
première
piste et/ou de la deuxième piste comprend des zones non mouillantes et
des zones mouillantes, les zones mouillantes étant des zones
fonctionnalisées réactives.
Dans une autre variante de réalisation, le dispositif de manipulation
de gouttes dans un plan de l'invention comprend deux pistes séparées par
un espace destiné à être rempli par un fluide électriquement isolant non
miscible vis à vis de la goutte transportée. La première piste comprend
une couche ou substrat électriquement isolant sur lequel repose au moins
deux électrodes interdigitées. Sur cet ensemble repose une couche non
mouillante. La deuxième piste comprend une couche partiellement
mouillante. La couche partiellement mouillante de la première piste et/ou
de la deuxième piste comprend des zones non mouillantes et des zones
mouillantes, les zones mouillantes étant des zones fonctionnalisées
réactives.
Eventuellement, dans cette variante de réalisation, la première piste
comprend également une couche diélectrique isolante située entre les
électrodes et la couche non mouillante. Eventuellement également, le
dispositif dans cette variante de réalisation comprend une ligne de masse
située sur, sous ou insérée dans la couche non mouillante.
Dans une variante de réalisation, la deuxième piste comprend une
couche supérieure électriquement isolante, semi-conductrice, ou
CA 02568805 2012-01-10
8
conductrice.
En combinaison avec chacune de ces variantes de réalisation du
dispositif, le substrat électriquement isolant de la première piste est de
préférence transparent, comme par exemple un substrat de verre.
De préférence, dans une ou plusieurs des variantes précédentes,
les zones mouillantes sont biochimiquement fonctionnalisées et réactives.
Ces zones mouillantes sont de préférence des ouvertures dans des
zones non mouillantes. De préférence, le matériau non mouillant
constituant la couche non mouillante et/ou les zones non mouillantes de la
lo couche partiellement mouillante, est un polymère de tétrafluoroétylène.
Ainsi, le dispositif de l'invention permet avantageusement de
manipuler une goutte de liquide, en la transportant sur un plan par
électromouillage, sur une seule piste ou entre deux pistes en vis à vis,
avec ou sans utilisation de contre-électrode, tout en agissant
chimiquement sur la goutte lors de son passage sur des zones
chimiquement fonctionnalisées. L'optimisation recherchée est donc
obtenue : concentrer les traitements préparatoires à une analyse ultérieure
dans un microsystème, pendant le transport, pour éviter les
contaminations et les pertes sur des échantillons très coûteux et dans de
faibles volumes, tout en prenant en compte les contraintes précitées de la
microfluidique.
L'invention se rapporte selon un deuxième aspect à un procédé de
fabrication du dispositif précité, dans lequel la création de la couche
partiellement mouillante de la première ou de la deuxième piste est
dérivée de la technique dite du lift off utilisée en microélectronique
pour créer des motifs en métal. Cette technique du lift off telle qu'on la
connaît, si elle permet le dépôt de la couche non mouillante en dernière
étape, évitant ainsi un traitement de surface préjudiciable, n'est cependant
pas adaptée à la création de motifs dans un tel matériau non mouillant, en
particulier un matériau hydrophobe, tel qu'un polymère de
tétrafluoroétylène, car elle ne permet pas d'obtenir des zones mouillantes
CA 02568805 2012-01-10
t
9
nettes et précises dans ce matériau non mouillant. L'invention se rapporte
donc selon ce deuxième aspect à un procédé de fabrication du dispositif
précité, dans lequel la création de la couche partiellement mouillante de la
première ou de la deuxième piste comprend les étapes suivantes :
création d'un masque en matériau photosensible par dépôt du matériau
photosensible sur un substrat, photolithographie, puis révélation du
matériau photosensible ; dépôt d'un matériau non mouillant sur le
masque ; au moins un recuit avant dissolution ; dissolution du masque ; au
moins un recuit après dissolution.
Dans une variante de mise en oeuvre, la température du recuit
avant dissolution est inférieure à la température du recuit après
dissolution.
Dans une autre variante de mise en oeuvre, le premier recuit avant
dissolution est suivi d'au moins un autre recuit à une température
supérieure à celle du premier recuit.
Dans une autre variante, éventuellement en combinaison avec la
précédente, le premier recuit après dissolution est suivi d'au moins un
autre recuit à une température supérieure à celle du premier recuit.
Eventuellement, la dissolution du masque est suivie d'un rinçage.
Dans une autre variante de mise en oeuvre, le matériau non
mouillant déposé est un polymère de tétrafluoroétylène.
Ainsi, le procédé de l'invention permet avantageusement la création
d'une couche partiellement mouillante qui contient des zones mouillantes
nettes et précises, adaptées à une fonctionnalisation chimique, et qui
contient des zones non mouillantes qui conservent leurs hautes propriétés
de non mouillabilité nécessaires au transport des gouttes. En effet, la
couche de matériau non mouillant est déposée en dernière étape et ne
subit pas de traitement de surface, donc ne subit pas de modification de
ses propriétés de surface.
L'invention se rapporte enfin selon un troisième aspect à un
système d'analyse microfluidique d'un échantillon liquide qui comprend au
CA 02568805 2012-01-10
moins un moyen de préparation de l'échantillon, couplé à au moins un
dispositif de manipulation de goutte selon l'invention et tel que précité, lui-
même couplé à au moins un moyen d'analyse.
De préférence, le moyen de préparation comprend un ou plusieurs
5 réservoirs ou quais de chargement.
De préférence également, le moyen d'analyse est un spectromètre
de masse, un détecteur de fluorescence, un détecteur d'émission UV, ou
IR.
Le système selon l'invention est éventuellement intégré dans un
lo microsystème qui intègre lui-même une ou plusieurs opérations de
laboratoires habituellement réalisées manuellement, et que l'on appellera
microlaboratoire.
Ainsi le système selon l'invention permet avantageusement
d'analyser des échantillons de liquide après préparation des échantillons
puis transport par déplacement de microvolumes calibrés vers un
analyseur, par automatisation des tâches de préparation et de transport
intégrées dans un microlaboratoire. Il permet donc avantageusement de
réduire les risques de contamination et de perte de matière de
l'échantillon, et de diminuer les temps de réaction.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
plus clairement et de manière complète à la lecture de la description ci-
après des variantes préférées de mise en oeuvre du procédé et de
réalisation du dispositif, lesquelles sont données à titre d'exemples non
limitatifs et en référence aux dessins annexés suivants :
- figures la à ld : illustre schématiquement la propriété de non
mouillabilité ou de mouillabilité d'une surface vis-à-vis d'une goutte,
- figures 2a à 2r: représentent schématiquement différentes
variantes de réalisation du dispositif selon l'invention (vues en
coupe perpendiculaire au sens de déplacement de la goutte),
- figure 3 : représente schématiquement le déplacement d'une goutte
sur une piste du dispositif selon une première variante de
CA 02568805 2012-01-10
A
11
réalisation,
- figure 4 : représente schématiquement le déplacement d'une goutte
sur une piste du dispositif selon une deuxième variante de
réalisation,
- figure 5: représente schématiquement le procédé de création
d'ouvertures dans un matériau non mouillant selon la technique
photolithographique classique utilisant un surfactant dans la résine,
- figure 6: représente schématiquement le procédé de création
d'ouvertures dans un matériau non mouillant selon la technique
photolithographique classique avec modification de surface par
plasma,
- figure 7: représente schématiquement une variante de mise en
oeuvre du procédé de création d'ouvertures dans un matériau non
mouillant selon l'invention,
- figure 8: illustre schématiquement la fonctionnalisation chimique
d'une zone mouillante,
- figure 9: illustre schématiquement le traitement chimique d'une
goutte d'un échantillon au cours de son déplacement,
- figure 10 : représente schématiquement une variante de réalisation
du système selon l'invention.
Les figures 2a à 2r représentent schématiquement différentes
variantes de réalisation du dispositif de l'invention (vues en coupe
perpendiculaire au sens du déplacement de la goutte).
Dans ces figures 2a à 2n, le dispositif comprend au moins une piste
avec un substrat 1, de préférence mais pas nécessairement transparent,
par exemple en Pyrexc. Au dessus de ce substrat 1 se trouvent les
électrodes interdigitées 2. La notion d'électrodes interdigitées sera
précisée plus loin en référence aux figures 3 et 4.
Sur ces électrodes 2, on trouve une couche diélectrique isolante 3,
constituée par exemple d'oxydes ou de polymères. Sur cette couche
électrique isolante 3 se trouve une couche non mouillante 4, qui est
CA 02568805 2012-01-10
=
12
rendue partiellement mouillante par le procédé de création d'ouvertures
mouillantes 5 dans le matériau non mouillant 4, procédé qui sera décrit
plus en détail un peu plus loin en référence à la figure 7.
Dans les variantes de réalisation des figures 2a à 2d, le dispositif
comprend une seule piste constituée des couches 1, 2, 3 et 4. Le dispositif
de la figure 2a permet de mettre en oeuvre un déplacement par
électromouillage ne nécessitant pas de contre-électrodes, déplacement
qui sera expliqué plus loin en référence à la figure 3. Les dispositifs des
figures 2b présentent chacun une contre-électrode sous la forme d'une
ligne de masse 6 posée sur la couche partiellement mouillante 4 (figure
2b), insérée dans et non recouverte par la couche partiellement mouillante
4 (figure 2c), ou insérée dans et recouverte par la couche partiellement
mouillante 4 (figure 2d). Les dispositifs des figures 2b à 2d permettent
quant à eux de mettre en oeuvre le déplacement par électromouillage avec
une ligne de masse pour contre-électrode, déplacement qui sera décrit
plus loin en référence à la figure 4.
Les figures 2e et suivantes montrent des variantes de réalisation
dans lesquelles on rajoute une deuxième piste formée d'une couche non
mouillante 7 elle-même recouverte d'une couche supérieure 8 qui peut
être soit électriquement isolante soit électriquement semi-conductrice soit
encore électriquement conductrice. Cette deuxième piste est placée en vis
à vis de la première, avec utilisation de cales 9 permettant de maintenir un
espace 10 de déplacement destiné à être rempli d'un fluide électriquement
isolant non miscible vis à vis de la goutte transportée.
On notera que, pour mettre en oeuvre un déplacement par
électromouillage, le fluide remplissant l'espace 10 doit effectivement être
électriquement isolant. Par ailleurs, pour ne pas interagir avec la goutte
transporté, le fluide doit effectivement être non miscible vis à vis du
liquide. Il pourra s'agir par exemple de l'air ou de l'huile, dans le cas
d'une
3 0 goutte de solution aqueuse.
En particulier, les figures 2f à 2h montrent des variantes de
CA 02568805 2012-01-10
r v
13
réalisation qui sont respectivement basées sur les dispositifs des figures
2b à 2d auxquels on rajoute une deuxième piste telle que décrite
précédemment.
Dans la variante de réalisation du dispositif de la figure 2i, la
deuxième piste comprend en outre une ou plusieurs contre-électrodes 11
insérées entre la couche non mouillante 7 et la couche supérieure 8. On
n'utilise donc pas de ligne de masse, contrairement aux dispositifs des
figures 2f à 2h, puisque la contre-électrode est présente dans la deuxième
piste. Le mode de déplacement est cependant identique à celui des
figures 2f à 2h.
Les variantes de réalisation des figures 2j à 21 (vues en coupe
perpendiculaire au sens de déplacement de la goutte) dérivent
respectivement et directement des variantes de réalisation des figures 2f à
2h, avec la différence suivante : la couche non mouillante 7 de la
deuxième piste est rendue partiellement mouillante par le procédé de
création d'ouvertures mouillantes 5 dans le matériau non mouillant 7 qui
sera décrit plus loin en référence à la figure 7.
La figure 2m décrit une variante de réalisation qui repose sur celle
précédemment décrite dans la figure 2e avec la différence suivante : la
couche non mouillante 7 de la deuxième piste est rendue partiellement
mouillante par le procédé de création d'ouvertures mouillantes 5 dans le
matériau non mouillant 7 qui sera décrit plus loin en référence à la figure
7.
La variante de réalisation de la figure 2n est quant à elle dérivée de
la variante de réalisation de la figure 2i avec les deux différences
suivantes : la couche non mouillante 7 de la deuxième piste est rendue
partiellement mouillante par création d'ouvertures mouillantes 5 dans la
couche non mouillante 7 selon le procédé qui sera décrit plus loin en
référence à la figure 7; et, pour permettre la fonctionnalisation biochimique
3o de ces ouvertures mouillantes 5 sans interactions avec la ou les contre-
électrodes 11, une couche diélectrique isolante 12 similaire à celle
CA 02568805 2012-01-10
a
14
présente dans la première piste est insérée entre la couche partiellement
mouillante 7 et la ou les contre-électrodes 11.
La variante de réalisation décrite dans la figure 2o concerne un
dispositif avec deux pistes. La première piste diffère de la première piste
des variantes de réalisation précédentes en ce que la couche non
mouillante 4 qui la constitue n'est pas partiellement mouillante : aucune
ouverture mouillante n'est créée dans cette couche non mouillante 4. Par
ailleurs, cette variante de réalisation ne nécessite pas de couche
diélectrique isolante entre les électrodes interdigitées 2 et la couche non
lo mouillante 4 dans le cas où cette couche non mouillante 4 est elle-même
électriquement isolante: C'est notamment le cas pour une couche
hydrophobe, en matériau tel qu'un polymère de tétrafluoroéthylène.
Cependant, en pratique, un tel matériau n'est effectivement
électriquement isolant que si l'épaisseur de la couche est importante
(épaisseur de l'ordre du micromètre). Aussi, dans les cas de la figure 2o
où l'épaisseur de la couche non mouillante 4 n'est pas suffisante, on
pourra insérer entre la couche d'électrodes interdigitées 2 et la couche
non mouillante 4 une couche diélectrique isolante du type de la couche 3
des autres figures.
Sur la couche non mouillante 4 se trouve une ligne de masse 6
faisant office de contre-électrode. Dans cette variante de réalisation, la
deuxième piste est identique à celle des variantes de réalisation des
figures 2j à 2m.
Dans les variantes de réalisation respectives des figures 2p et 2q la
couche non mouillante 4 n'est pas partiellement mouillante puisqu'elle ne
comprend pas les ouvertures 5. Ces variantes de réalisation sont donc
dérivées respectivement des variantes des figures 2k et 21, avec la
différence précitée (couche 4 totalement non mouillante, alors que dans
les variantes des figures 2k et 21, elle est partiellement mouillante).
Enfin, la variante de réalisation de la figure 2r reprend le mode
de déplacement des figures 2a, 2e et 2m, c'est-à-dire sans utilisation de
CA 02568805 2012-01-10
contre-électrode, et, comme dans les variantes des figures 2o à 2p,
présente une couche non mouillante 7 dans la deuxième piste qui est
partiellement mouillante avec la présence des ouvertures mouillantes 5, et
une couche non mouillante 4 dans la première piste qui est totalement non
5 mouillante puisque qu'elle ne présente aucune ouverture mouillante. Par
ailleurs, comme dans la variante de la figure 2o, cette variante de
réalisation ne nécessite pas de couche diélectrique isolante entre les
électrodes interdigitées 2 et la couche non mouillante 4 dans le cas où
cette couche non mouillante 4 est elle-même électriquement isolante, ce
10 qui est notamment le cas pour une couche hydrophobe, en matériau tel
qu'un polymère de tétrafluoroéthylène. Cependant, ici encore, en pratique,
un tel matériau n'est effectivement électriquement isolant que si
l'épaisseur de la couche est importante (épaisseur de l'ordre du
micromètre). Aussi, dans les cas de la figure 2r où l'épaisseur de la
15 couche non mouillante 4 n'est pas suffisante, on pourra insérer entre la
couche d'électrodes interdigitées 2 et la couche non mouillante 4 une
couche diélectrique isolante du type de la couche 3 des autres figures.
La figure 3 représente schématiquement le déplacement d'une
goutte sur une piste du dispositif selon une variante de réalisation. Cette
figure se décompose en deux parties. Dans la partie supérieure (schémas
A, B et C), par souci de simplification et pour faciliter l'explication, la
représentation du dispositif est une représentation en vue de dessus et
partielle en ce qu'elle ne fait apparaître ni la couche non mouillante ou
partiellement mouillante ni la couche diélectrique isolante, situées entre la
goutte 15 et les électrodes 2a, 2b, 2c et 2d. Dans la partie inférieure
(schémas A', B' et C'), la représentation du dispositif est une
représentation en coupe de côté, dans le sens de déplacement de la
goutte.
Plus précisément, le dispositif est du type de celui de la figure 2a,
c'est-à-dire avec une seule piste. Cependant, les explications suivantes
concernant le déplacement de la goutte sont applicables plus
CA 02568805 2012-01-10
r
16
généralement aux cas des figures 2a, 2e, 2m et 2r, c'est-à-dire un
déplacement sur une piste avec des électrodes interdigitées, sans contre-
électrodes, avec éventuellement un deuxième plan supérieur.
Le dispositif nécessite donc plusieurs électrodes interdigitées (2a,
2b, 2c, 2d) qui reposent sur un substrat 1 électriquement isolant,
éventuellement transparent. Sur la couche d'électrodes interdigitées, on
retrouve une couche diélectrique isolante 3 et une couche non mouillante
4. Cette couche non mouillante 4 peut être partiellement mouillante selon
la configuration dans laquelle on se trouve (voir figure 2 concernée), ce
lo qui ne modifie pas les explications suivantes concernant le déplacement.
La goutte 15 est initialement sur l'électrode 2a (étape A). En créant une
différence de potentiel entre l'électrode 2c et les électrodes 2a, 2b et 2d,
la
goutte se meut sur l'électrode 2c (étape B). Pour la déplacer sur
l'électrode 2d, on crée une différence de potentiel entre l'électrode 2d et
les électrodes 2a, 2b et 2c. Et ainsi de suite.
La figure 4 représente schématiquement le déplacement d'une
goutte sur une piste du dispositif selon une autre variante de réalisation.
Là encore, la figure se décompose en deux parties. Dans la partie
supérieure (schémas A, B et C), par le même souci de simplification et de
facilitation de l'explication que pour la figure 3, la représentation du
dispositif est une représentation en vue de dessus et partielle en ce qu'elle
ne fait apparaître ni la couche non mouillante ou partiellement mouillante
ni la couche diélectrique isolante, situées entre la goutte 15 et les
électrodes 2a, 2b, 2c et 2d. Dans la partie inférieure (schémas A', B' et
C'), la représentation du dispositif est une représentation en coupe de
côté, dans le sens de déplacement de la goutte.
Plus précisément, le dispositif présenté correspond à un dispositif
avec une seule piste et Une ligne de masse 6 en tant que contre-électrode
6, tel que précédemment décrit à la figure 2b. Cependant, les explications
3 0 suivantes concernant le déplacement d'une goutte sur ce dispositif sont
également applicables aux cas des figures 2c, 2d, 2f, 2g, 2h, 2j, 2k, 21, 2o,
CA 02568805 2012-01-10
17
2p, 2q.
Le dispositif comprend une couche d'électrodes interdigitées (2a,
2b, 2c, 2d) qui reposent sur un substrat 1 électriquement isolant et
éventuellement transparent. Au-dessus de cette couche d'électrodes se
trouve une couche diélectrique isolante 3. Au-dessus de cette couche
diélectrique isolante 11 se trouve une couche non mouillante 4. Cette
couche est éventuellement partiellement mouillante, selon la configuration
dans laquelle on se trouve (voir figures 2). Au dessus de cette couche non
mouillante 4 (éventuellement partiellement mouillante), on trouve une
lo électrode de masse 6 ou ligne de masse 6.
La goutte 15 est initialement sur l'électrode 2a (étape A). En créant
une différence de potentiel entre l'électrode 2c et les électrodes 2a, 2b, 2d
et l'électrode de masse 6, la goutte se meut sur l'électrode 2c (étape B).
Pour déplacer la goutté sur l'électrode 2d, on crée une différence de
potentiel entre l'électrode 2d et les électrodes 2a, 2b, 2c et l'électrode de
masse 6, et ainsi de suite.
Si l'on remplace l'électrode de masse 6, ou ligne de masse 6, par
une contre-électrode située dans un plan supérieur (cas des figures 4i et
4n), les explications précédentes concernant la figure 4 s'appliquent
2o encore.
Le procédé permettant de rendre partiellement mouillante la couche
non mouillante d'une des pistes du dispositif de l'invention, va maintenant
être décrit en référence à la figure 7, avec un rappel de l'état de la
technique en référence aux figures 5 et 6.
La figure 5 représente schématiquement les étapes du procédé de
création d'ouverture dans un matériau non mouillant, ce qui le rend
partiellement mouillant, selon la technique photolithographique classique
avec surfactant. A l'étape (a), une couche de matériau non mouillant 4 est
déposée sur un substrat 1. A l'étape (b), une couche de résine 20
3 o contenant un surfactant est déposée sur la couche non mouillante 4. Le
surfactant permet d'augmenter la mouillabilité de la couche non mouillante
CA 02568805 2012-01-10
18
vis à vis de la résine, donc l'accrochage de la résine sur cette couche. A
l'étape (c), étape photolithographique à proprement parler, la couche 20
est soumise aux rayonnements UV. Si la couche 20 est en résine dite
positive, le rayonnement ultraviolet entraîne une rupture des
macromolécules des zones exposées ce qui confère à ces zones une
solubilité accrue au solvant de révélation qui sera utilisé à l'étape (d),
alors
que les parties non insolées à l'opposé auront polymérisé. C'est donc ce
qu'il se produit, avec le résultat de l'étape de révélation (d). La révélation
de la résine s'accompagne d'une attaque du matériau non mouillant
exposé et donc de l'apparition des zones ou ouvertures 5 dans la couche
non mouillante 4 (étape (e)). Cette technique s'accompagne du risque de
modification définitive des propriétés de surface du matériau non mouillant
due à l'utilisation du surfactant dans la résine.
La figure 6 représente schématiquement les étapes du procédé de
création d'ouvertures dans un matériau non mouillant selon la technique
photolithographique classique avec plasma. Cette technique diffère de la
précédente en ce qu'elle comprend une étape supplémentaire consistant
à soumettre la couche non mouillante 4 à un rayonnement plasma-argon
(étape (b)) avant le dépôt de la couche de résine 20. C'est ce
rayonnement qui va modifier les propriétés de surface de la couche non
mouillante 4, alors que dans la technique précédente (figure 5), c'est la
présence du surfactant dans la résine qui joue ce rôle. Les étapes
suivantes ((c), (d), (e), (f)) sont respectivement les mêmes que les étapes
(b), (c), (d) et (e) de la figure 5. La conclusion est la même qu'en ce qui
concerne la technique photolithographique classique avec surfactant, à
savoir qu'il existe un risque de modification définitive des propriétés de
surface de la couche non mouillante 4.
Le procédé de l'invention, décrit maintenant en référence à la figure
7, est donc un procédé de fabrication d'une ou plusieurs pistes du
3o dispositif décrit précédemment, dans lequel la création de la couche
partiellement mouillante comprend tout d'abord une étape de création d'un
CA 02568805 2012-01-10
19
masque en matériau photosensible par dépôt d'une couche de ce
matériau 20 sur un substrat 1 (étape (a)), photolithographie (étape (b)), et
révélation du matériau photosensible (étape (c)). Dans la variante de mise
en oeuvre décrite dans cette figure 7, on utilise comme matériau
photosensible une résine négative, c'est-à-dire pour laquelle le
rayonnement UV entraîne une polymérisation des zones insolées d'où une
solubilité accrue des zones non exposées dans le révélateur. Ce sont
donc les zones non exposées à l'étape (b) qui disparaissent à l'étape (c),
alors que les zones insolées à l'étape (b) restent présentes à l'étape (c) et
1o sont repérées par le nombre 20. Le choix d'une résine négative n'est bien
sûr nullement limitatif de l'invention. Les considérations sur le procédé de
l'invention sont exactement les mêmes dans le cas de l'utilisation d'une
résine positive.
L'étape (c) est suivie d'une étape (d) de dépôt d'une couche de
matériau non mouillant 4.
A titre d'exemple, on peut utiliser pour l'étape photolithographique
une résine avec les paramètres suivants :
- résine AZ 4562,
- révélation dans AZ 351 B.
L'étape (d) de dépôt du matériau non mouillant 4 est suivie d'une
première étape de recuit. Selon le matériau choisi (polymère de
tétrafluoroéthylène par exemple), on peut procéder à un recuit à 50 C
pendant 5 minutes. De préférence, mais pas nécessairement, ce recuit est
suivi d'un autre recuit complémentaire. Cet autre recuit peut alors être
procédé à une température de 110 C pendant 5 min également.
Dans le cas particulier d'un matériau hydrophobe tel qu'un
polymère de tétrafluoroéthylène, à ce stade, il reste très peu de solvant
dans le matériau. Mais il faudra une deuxième étape de recuit après
dissolution du masque de résine 20 (étape (e). En effet, aux températures
3o de recuit du matériau hydrophobe, la résine polymérise ce qui la rend
difficile à enlever. Cela peut avoir pour conséquence de laisser des traces
CA 02568805 2012-01-10
de résine sur le substrat. Ces traces risquent d'être difficiles voire
impossibles à enlever lors de l'étape suivante de dissolution, ce qui risque
de modifier les propriétés de surface de la couche partiellement mouillante
(partiellement hydrophile dans le cas de la mouillabilité vis à vis de l'eau)
:
5 les ouvertures 5 risquent de ne pas être parfaitement non mouillantes (ou
hydrophobes pour la non mouillabilité vis à vis de l'eau) et les zones non
ouvertes risquent de ne pas être parfaitement non mouillantes
(hydrophobes). C'est pourquoi, avant de procéder à cette deuxième étape
de recuit, on va d'abord dissoudre la résine par exemple dans l'acétone,
l o par exemple pendant 30 à 40 secondes. De préférence, mais pas
nécessairement, cette étape de dissolution est suivie d'une étape de
rinçage par exemple à l'alcool.
Enfin, on procède à la deuxième étape de recuit, par exemple (en
fonction du matériau choisi) à 170 C pendant 5 min, ce qui a pour effet de
15 faire disparaître complètement le solvant éventuellement présent dans le
matériau hydrophobe. Eventuellement, pour obtenir une surface uniforme
et une adhérence maximum du matériau non mouillant sur le substrat, on
procède à un autre recuit complémentaire par exemple à 3300 C pendant
15 min.
20 Ainsi, le procédé de l'invention permet avantageusement de créer
une couche partiellement mouillante dans un matériau non mouillant. Ce
résultat est obtenu par la création d'ouvertures 5 dans le matériau non
mouillant, qui deviennent des zones mouillantes, adaptées à une
fonctionnalisation chimique ou biochimique. Les zones non ouvertes
restent parfaitement non mouillantes et conservent donc leurs hautes
propriétés de non mouillabilité nécessaires au transport des gouttes. En
particulier, le fait que la couche de matériau non mouillant soit déposée en
dernière étape du procédé, contrairement à l'état de la technique, permet
de ne pas faire subir à ce matériau de traitement de surface (technique
utilisant un surfactant, ou utilisant un plasma-argon).
Le dispositif de l'invention comprend donc au moins une couche
CA 02568805 2012-01-10
21
rendue partiellement mouillante par création d'ouvertures mouillantes 5
dans une couche non mouillante, tel qu'expliqué précédemment. Ces
zones mouillantes vont pouvoir être activées et fonctionnalisées
chimiquement (figure 8) pour ensuite réagir avec la goutte manipulée 15
(figure 9). On va donc utiliser le principe du déplacement de la goutte tel
qu'expliqué précédemment pour activer les zones non encore
fonctionnalisées grâce à une goutte 15 contenant un agent permettant la
fonctionnalisation.
On voit en particulier sur la figure 8 (mode de représentation
identique à celui de la partie supérieure des figures 3 et 4, en vue de
dessus et partielle, c'est-à-dire sans les couches respectivement
diélectriques isolantes et non mouillantes entre les électrodes interdigitées
2a, 2b, 2c et la goute 15) qu'une goutte contenant un agent permettant la
fonctionnalisation 15 partant de l'électrode 2a se déplace sur l'électrode
2b, au-dessus d'une zone fonctionnalisable 5 puis arrive sur l'électrode 2c
après avoir activé et fonctionnalisé chimiquement la zone 5.
Dans la figure 9 (mode de représentation identique à celui de la
partie supérieure des figures 3 et 4, en vue de dessus et partielle, c'est-à-
dire sans les couches respectivement diélectriques isolantes et non
mouillantes entre les électrodes interdigitées 2a, 2b, 2c et la goutte 15), on
voit comment une goutte 15 se déplaçant sur la piste se trouve tout
d'abord sur l'électrode 2a puis passe sur l'électrode 2b au-dessus de
laquelle se trouve la zone fonctionnalisée 5, et arrive, modifiée, sur
l'électrode 2c après réaction avec la zone fonctionnalisée.
La figure 10 représente schématiquement une variante de
réalisation du système selon l'invention. Le système comprend un ou
plusieurs moyens 100 de préparation de l'échantillon de liquide à
analyser, un ou plusieurs dispositifs 200 de manipulation de gouttes selon
l'invention et tel qu'expliqué précédemment, et un ou plusieurs moyens
300 d'analyse en sortie. Le moyen 100 de préparation peut comprendre
par exemple un ou plusieurs réservoirs ou quais de chargement. Le
CA 02568805 2012-01-10
22
moyen 300 d'analyse peut être par exemple un spectromètre de masse,
un détecteur de fluorescence ou un détecteur d'émission UV. Le dispositif
200 selon l'invention, au coeur de ce système, est couplé en amont avec le
ou les moyens 100 de préparation, et en aval avec le ou les moyens 300
d'analyse.
Le système selon, l'invention peut ainsi être éventuellement intégré
dans un microsystème qui intègre lui-même une ou plusieurs opérations
de laboratoires habituellement réalisées manuellement. Un tel système est
appellé microlaboratoire.
Deux exemples de fonctionnalisation vont maintenant être décrits,
sur la base d'un exemple de réalisation du dispositif de l'invention
comprenant un substrat en Pyrexc, des électrodes conductrices
interdigitées en nickel d'une épaisseur d'une centaine de nanomètres, une
couche d'environ un micromètre de résine SU8 déposée par
centrifugation, couche diélectrique isolante. Enfin, le dispositif comprend
une couche hydrophobe en polymère de tétrafluoroéthylène, également
déposée par centrifugation, sur la couche de résine précédemment citée.
Exemple d'un réacteur d'affinité :
Les zones non recouvertes par la couche hydrophobe vont subir un
traitement de surface destiné à les transformer en surface réactive, par
exemple un support-NH2 greffé Streptavidine.
Ainsi, avec un tel dispositif comprenant de telles zones
fonctionnalisées, une goutte de liquide contenant des protéines par
exemple, et se déplaçant dans le chemin d'électrodes sur une zone
fonctionnalisée, verra ses molécules d'intérêt (certaines protéines comme
la biotine par exemple) ayant une affinité pour les surfaces précédemment
greffées au cours de la fonctionnalisation, se fixer sur ces surfaces. Quand
la réaction chimique est terminée, la goutte poursuit sôn chemin dans le
dispositif. Par la suite, le passage d'un mélange spécifique (par exemple
un mélange tampon dénaturant) sur ces zones, permet de libérer les
molécules d'intérêt (par destruction des interactions non covalentes par
CA 02568805 2012-01-10
23
exemple) et les entraîne avec lui. Un tel dispositif permet donc d'isoler et
de séparer des molécules d'intérêt.
Exemple d'un réacteur de digestion :
Dans le dispositif, les zones non recouvertes par la couche
hydrophobe vont subir, un traitement de surface dans le but de les
transformer en surfaces réactives, par exemple support-NH2 greffé
trypsine.
Ainsi, dans un tel dispositif avec de telles zones fonctionnalisées,
une goutte de liquide se déplaçant dans le chemin d'électrodes est
1o immobilisée sur une zone fonctionnalisée, et certaines molécules d'intérêt
(des protéines par exemple) vont réagir avec les surfaces greffées. Le
résultat d'une telle réaction sera de découper les molécules (par exemple
des peptides obtenus par digestion tryptidique). Par la suite, la goutte
poursuit son chemin dans le dispositif. Un tel dispositif permet donc par
exemple d'analyser de .longues chaînes de molécules par découpage
préalable au moyen d'enzymes spécifiques, en vue d'une analyse par
spectrométrie de masse.
Le dispositif, le procédé, et le système de l'invention, permettent
donc de réaliser les éléments de base d'un microsystème destiné à
déplacer des microgouttes d'une zone fonctionnalisée à une autre, dans
une architecture qui se prête tout à fait dans l'intégration en amont ou en
aval avec d'autres fonctions complémentaires. On peut donc ainsi
concevoir des microsystèmes spécialisés se distinguant seulement les uns
des autres par l'enchaînement et la nature des opérations biochimiques
réalisées.
L'ensemble de la description ci-dessus est donné à titre d'exemple,
et est non limitatif de l'invention. En particulier, le choix d'un matériau en
polymères de tétrafluoroéthylène pour la couche non mouillante ou
partiellement mouillante n'est pas limitatif de l'invention. Un polymère de
tétrafluoroéthylène est un choix adapté en ce sens qu'il est effectivement
non mouillant, notamment, mais pas uniquement, vis à vis de l'eau, donc
CA 02568805 2012-01-10
24
hydrophobe. Plus généralement, on s'intéressera toujours à un matériau
non mouillant, qui soit biocompatible (n'adsorbe pas de matière
transportée, ne se mélange pas avec la matière transportée, ne provoque
pas de réactions chimiques, ne relargue pas de matière). Il doit donc être
s neutre au regard des explications précédentes, et également présenter
une homogénéité de ses propriétés en surface.
De même, le choix du silicium ou du Pyrex pour le substrat n'est
bien sûr pas limitatif de l'invention. C'est le cas également du choix d'une
résine positive ou négative dans le cadre du procédé de fabrication du
lo dispositif de l'invention. On notera également, toujours dans le cadre du
procédé de fabrication du dispositif de l'invention, que les températures et
durées des étapes de recuit du procédé ne sont pas limitatives de
l'invention, et sont essentiellement fonction du matériau non mouillant
choisi. Egalement, l'utilisation de l'acétone pour la dissolution et d'un
15 alcool pour le rinçage, n'est pas limitative de l'invention. Tout autre
produit
adapté à la dissolution et au rinçage pourra être utilisé.
En outre, les exemples de déplacement dans une direction donnée,
mentionnés dans cette description, ne sont pas limitatifs de l'invention. On
peut bien sûr envisager une matrice de déplacement permettant de
20 déplacer la goutte n'importe où sur la piste. Les possibilités de
déplacement dépendent essentiellement de la disposition géométrique
des électrodes. Une matrice d'électrodes permet en effet d'obtenir un
déplacement de type matriciel. Egalement, la forme des électrodes dans
les exemples de cette description n'est bien sûr pas limitatif de l'invention.
25 Toute autre forme permettant l'interdigitation des électrodes convient.
Par ailleurs, la liste des exemples de moyens de préparation en
amont du dispositif de déplacement, dans un système intégré tel que le
système de l'invention, n'est bien sûr par exhaustive, et donc pas limitative
de l'invention. Il en va de même pour la liste des moyens d'analyse en
3 o aval du dispositif de déplacement.
Enfin, les exemples de fonctionnalisation des zones mouillantes de
CA 02568805 2012-01-10
la couche partiellement mouillante, et les exemples de traitement de la
goutte par ces zones fonctionnalisées, donnés dans cette description, ne
sont pas limitatifs de l'invention. Généralement, on s'intéressera en effet à
la séparation, au tri ou au découpage de molécules quelles qu'elles soient.
5 D'autres manipulations par réactions chimiques et/ou biochimiques sont
envisageables.
