Microfluidique

Microfluidique

La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du micromètre.

Sommaire

Définition

Exemple de réseau microfluidique : structure veineuse d'une feuille d'érable. Le reste de la feuille a été dissout par gravure pour ne conserver que les veines.

G.M. Whitesides définit la microfluidique comme « la science et la technologie des systèmes qui manipulent de petits volumes de fluides (10-9 à 10-18 litres), en utilisant des canaux de la dimension de quelques dizaines de micromètres »[1]. Selon P. Tabeling, « on peut définir la microfluidique comme [une discipline] portant sur les écoulements de fluides simples ou complexes, mono ou multiphasiques, dans des microsystèmes artificiels, c'est-à-dire fabriqués à l'aide des nouvelles techniques ». Tabeling précise qu'il entend essentiellement par « nouvelles techniques » les techniques de microfabrication héritées de la micro-électronique[2]. La première définition fait bien apparaître la dualité de la microfluidique : en tant que science, elle englobe l'étude des phénomènes et la mécanique des fluides à l'échelle micrométrique ; en tant que technique, elle contient également une dimension applicative. Cependant, la définition de Whitesides fait porter le préfixe "micro" sur la dimension de canaux. Ce préfixe ne concerne pas les volumes de fluides qui, dans la définition de Whitesides, sont compris entre le nanolitre et l'attolitre. Or, certains systèmes microfluidiques, par exemple les dispositifs d'électromouillage sur diélectrique, fonctionnent en gouttes, sans canaux[3],[4]. Tabeling donne quant à lui une définition d'ingénieur qui, comme il le souligne lui-même, exclut l'ensemble des systèmes microfluidiques naturels, tels que les capillaires sanguins ou le transport de sève dans les plantes. On peut définir plus largement la microfluidique comme la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du micromètre.

Développement

Évolution annuelle entre 1948 et 2008 du nombre de références indexées dans la base de données de CAS concernant la microfluidique (échelle logarithmique)[Note 1].

La microfluidique est un domaine de recherche particulièrement dynamique, comme en témoigne une rapide analyse de la production scientifique mondiale (figure ci-contre). Whitesides relie ce dynamisme à quatre thématiques principales : la chimie analytique, la biodéfense, la biologie moléculaire et la micro-électronique[1] ; tout d'abord, le succès des méthodes analytiques au format capillaire (chromatographie liquide à haute performance, électrophorèse) a conduit à miniaturiser davantage les dispositifs, afin d'améliorer la sensibilité et la résolution des analyses. Le développement de la microfluidique a également été abondamment subventionné par les agences militaires, afin de répondre au risque des armes chimiques et biologiques. Par ailleurs, la course au séquençage du génome humain, rapidement suivi par le protéome et le métabolome, ont rendu nécessaire le développement d'outils d'analyse haut débit hautement parallélisables. Enfin, la microfluidique a largement profité des techniques de microfabrication, développées à l'origine pour la micro-électronique et les microsystèmes. Malgré ces facteurs et ce dynamisme, cette technique n'est pas encore, en 2008, très présente dans la vie quotidienne, en particulier dans le domaine de la santé. Une raison pouvant expliquer cette latence est que la microfluidique reste une discipline relativement jeune ; de très nombreux dispositifs ont été développés, enrichissant d'autant la boîte à outil microfluidique. Cependant, le problème reste leur intégration, leur assemblage cohérent et la possibilité d'utilisation du dispositif final par une personne non avertie. En ce sens, les tests de grossesse jetables, bien que plus simples, sont un exemple à suivre[5]. La communauté scientifique reste cependant majoritairement confiante dans l'avenir de la microfluidique, qui a d'ailleurs été choisie en 2001 par la Technology Review du M.I.T. comme l'une des « dix techniques émergentes qui vont changer le monde »[6].

Écoulements des fluides à l'échelle micro- et nanométrique

La nature de l'écoulement dépend du nombre de Reynolds, et donc de la taille caractéristique d : (a) écoulement laminaire, (b) écoulement turbulent

Aux petites dimensions, les phénomènes physiques macroscopiques ne subissent pas seulement un diminution linéaire de leurs effets. Certains phénomènes négligeables deviennent prépondérants, comme la capillarité ; inversement, d'autres forces telles que la gravité deviennent négligeables[7]. Afin d'appréhender plus facilement les caractéristiques d'un système microfluidique, plusieurs grandeurs sans dimension ont été introduites[8]. La plus répandue est probablement le nombre de Reynolds Re, proposé en 1883[9], qui caractérise le rapport entre les forces d'inertie et les forces de viscosité. Les systèmes microfluidiques sont généralement caractérisés par un petit nombre de Reynolds : les forces de viscosité sont prépondérantes. Ce comportement se traduit par des flux laminaires. On peut également citer le nombre de Péclet Pe, liant convection et diffusion, et le nombre de Knudsen Kn, permettant de classifier les milieux continus. Squires et Quake décrivent en détail la physique et les nombres adimensionnels à l'échelle du nanolitre[8].

\mbox{Re} = \frac{\rho\,d\,V}{\eta} = \frac{d\,V}{\nu}

Avec :

  • ρ la masse volumique du fluide (kg.m-3) ;
  • d la taille caractéristique du système (m) ;
  • V une vitesse caractéristique (m.s-1) ;
  • η la viscosité dynamique du fluide (kg.m-1.s-1, Pa.s, ou Pl) ;
  • ν la viscosité cinématique du fluide (m².s-1).

Lorsque la longueur caractéristique d décroît et la viscosité ν augmente, le nombre de Reynolds diminue fortement. La fluidique à bas nombre de Reynolds possède certaines caractéristiques remarquables. Un petit nombre de Reynolds entraîne souvent un écoulement laminaire : il est stable, et les lignes de courant sont bien dessinées. Au voisinage de la surface, les forces de contact entre le liquide et le solide (la surface de la canalisation) prédominent. La viscosité du fluide introduit une condition de non glissement qui annule la vitesse du fluide : il adhère à la paroi.

Fonctions microfluidiques

Fonctions de base

La science de la microfluidique comporte plusieurs facettes ne se limitant pas à l'écoulement des fluides. On peut identifier plusieurs composantes d'un système microfluidique : les zones d'écoulement, les dispositifs d'actionnement et l'interface avec le monde extérieur. Les zones d'écoulement sont généralement des microcanaux fabriqués en technique polymère[10],[11]. Les techniques de micro-électronique fournissent de nombreuses techniques d'usinage de volume et de surface ; d'autres techniques, telles que le laminage de films secs, ont été développées plus spécifiquement pour les systèmes microfluidiques[12]. La géométrie et le design des zones d'écoulement est également à prendre en compte : canaux droits simples, en forme de T[13] ou même biomimétiques[14]. Une autre fonction microfluidique de base est l'actionnement des fluides : ce terme recouvre l'injection, le déplacement contrôlé et les différentes opérations effectuées sur le fluide, comme le mélange. Ces fonctions sont implémentées par une variété de composants microfluidiques élémentaires : micropompes[15],[16],[17], microvalves[18],[19], micromélangeurs, etc.[20]. Le dernier aspect de la technique microfluidique est la connexion entre le système micrométrique et le monde extérieur[2],[21]. Il s'agit de développer des interfaces, si possible normalisées[22], entre des systèmes d'échelles très différentes. Tous ces aspects ne recouvrent que les fonctions de base, que l'on rencontre généralement dans tout système microfluidique ; d'autres fonctions plus évoluées sont souvent ajoutées.

Éléments magnétiques et optiques intégrés

En plus des fonctions de base, la boîte à outils du technologue en microfluidique est riche de nombreux éléments, notamment magnétiques et optiques. Les bobines et autres éléments magnétiques ont été intégrés à l'échelle micrométrique lors du développement des microsystèmes électromécaniques (micro-electromechanical systems, MEMS)[23] ; l'application la plus connue de MEMS magnétiques (ou MagMEMS) est probablement les têtes d'enregistrement pour disques durs, fonctionnant sur le principe de la magnétorésistance géante. En microfluidique, les éléments magnétiques servent principalement à la manipulation d'échantillons : pompes, valves, mélangeurs, triage, séparation, etc.[24] Les particules magnétiques (notamment les billes) sont particulièrement utilisées comme support solide pour les tests biologiques[25]. Plus rarement, des fonctions magnétiques peuvent servir à la détection ; Trumbull et al. ont ainsi intégré sur puce un système de résonance magnétique nucléaire[26]. À l'inverse, les composants optiques sont généralement utilisés pour la détection et plus rarement pour la manipulation d'échantillons[27],[28],[29] ; l'une des possibilités pour la détection intégrée est le couplage avec une fibre optique[30],[31]. Parfois, les rôles sont inversés : la microfluidique se met au service de l'optique; Psaltis et al. ont ainsi détaillé différentes applications d'« optofluidique », faisant ainsi référence aux systèmes optiques contrôlés par des composants microfluidiques[32] ; les fibres optiques microfluidiques ont d'ailleurs été mises en avant en 2004 par la Technology Review du M.I.T. comme l'une des « dix techniques émergentes qui vont changer le monde »[33].

Actionnement des fluides

  • pompes
  • générateur et contrôleur de pression
  • pousse seringue
  • vannes
  • valves
  • mélangeurs
  • actionnement mécanique, chimique
  • micropyrotechnie

Pour une étude plus complète sur les méthodes de contrôle de flux dans les dispositifs microfluidique : Flow control in microfluidic devices

Fabrication des dispositifs microfluidiques

Matériaux

Techniques de microfabrication

Applications

  • Chimie analytique
  • manipulation et classement de cellule
  • screening de drogue
  • cristallisation de protéines
  • microreacteur chimique
  • micro fuel cell
  • biochimie
  • sciences forensiques
  • µTAS
  • génie des procédés (pour le moment : la microfluidique apporte une efficacité bien plus importante mais des volumes très faibles)
  • autres dispositifs : refroidissement de composants, applications spatiales

Voir aussi

Bibliographie

Liens externes

Notes

  1. ↑ Recherche effectuée le 12 juin 2008 sur le mot-clef microfluidics dans la base de données CAplus avec l'outil SciFinder Scholar. Cette base de données est principalement orientée sur le domaine de la chimie et la santé ; le compte total des publications concernant la microfluidique est donc probablement encore plus élevé.

Références

  1. ↑ a et b (en) G.M. Whitesides, « The origins and the future of microfluidics », dans Nature, vol. 442, no 7101, juil. 2006, p. 368–373 [lien DOI] 
  2. ↑ a et b P. Tabeling, Introduction à la microfluidique, Belin, 2003 [détail de l’édition] 
  3. ↑ (en) A.R. Wheeler, H. Moon, C.A. Bird, R.R. Ogorzalek Loo, C.-J.C.J. Kim, J.A. Loo & R.L. Garrell, « Digital microfluidics with in-line sample purification for proteomics analyses with MALDI-MS », dans Analytical Chemistry, vol. 77, no 2, janv. 2005, p. 534–540 [lien DOI] 
  4. ↑ (en) Y. Fouillet, D. Jary, C. Chabrol, P. Claustre & C. Peponnet, « Digital microfluidic design and optimization of classic and new fluidic functions for lab on a chip systems », dans Microfluidics and Nanofluidics, vol. 4, no 3, mars 2008, p. 159–165 [lien DOI] 
  5. ↑ (en) R. Mariella, « Sample preparation: the weak link in microfluidics-based biodetection », dans Biomedical microdevices, 2008 [lien DOI] 
  6. ↑ (en) « Ten emerging technologies that will change the world », dans M.I.T.'s Technology Review, janv. 2001 [texte intégral] 
  7. ↑ Stéphane Colin, Microfluidique, Hermes Science Publications, 2004 [détail de l’édition] 
  8. ↑ a et b (en) T.M.Squires & S.R. Quake, « Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale », dans Reviews of Modern Physics, vol. 77, no 3, 2005, p. 977–1026 [lien DOI] 
  9. ↑ (en) O. Reynolds, « An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels », dans Philosophical Transactions of the Royal Society, vol. 174, 1883, p. 935–982 [texte intégral] 
  10. ↑ (en) G.M. Whitesides & A.D. Stroock, « Flexible methods for microfluidics », dans Physics Today, vol. 54, no 6, juin 2001, p. 42–48 [lien DOI] 
  11. ↑ (en) H. Becker & C. Gärtner, « Polymer microfabrication technologies for microfluidic systems », dans Analytical and bioanalytical chemistry, vol. 390, no 1, janv. 2008, p. 89–111 [lien DOI] 
  12. ↑ (en) P. Abgrall, V. Conedera, H. Camon, A.-M. Gué & N.-T. Nguyen, « SU-8 as a structural material for labs-on-chips and microelectromechanical systems », dans Electrophoresis, vol. 28, no 24, déc. 2007, p. 4539–4551 [lien DOI] 
  13. ↑ (en) A. Hatch, A.E. Kamholz, K.R. Hawkins, M.S. Munson, E.A. Schilling, B.H. Weigl & P. Yager, « A rapid diffusion immunoassay in a T-sensor », dans Nature Biotechnology, vol. 19, no 5, mai 2001, p. 461–465 [lien DOI] 
  14. ↑ (en) R.W. Barber & D.R. Emerson, « Optimal design of microfluidic networks using biologically inspired principles », dans Microfluidics and Nanofluidics, vol. 4, no 3, mars 2008, p. 179–191 [lien DOI] 
  15. ↑ (en) D.J. Laser & J.G. Santiago, « A review of micropumps », dans Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 14, no 6, juin 2004, p. R35–R64 [lien DOI] 
  16. ↑ (en) P. Woias, « Micropumps — past, progress and future prospects », dans Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 105, no 1, fév. 2005, p. 28–38 [lien DOI] 
  17. ↑ (en) L. Chen, S. Lee, J. Choo & E.K. Lee, « Continuous dynamic flow micropumps for microfluid manipulation », dans Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 18, no 1, janv. 2008, p. 013001–0130022 [lien DOI] 
  18. ↑ (en) T. Thorsen, S.J. Maerkl & S.R. Quake, « Microfluidic large-scale integration », dans Science, vol. 298, no 5593, oct. 2002, p. 580–584 [lien DOI] 
  19. ↑ (en) J. Melin & S.R. Quake, « Microfluidic large-scale integration: the evolution of design rules for biological automation », dans Annual Review of Biophysics & Biomolecular Structure, vol. 36, 2007, p. 213–231 [lien DOI] 
  20. ↑ (en) C. Zhang, D. Xing & Y. Li, « Micropumps, microvalves, and micromixers within PCR microfluidic chips: Advances and trends », dans Biotechnology Advances, vol. 25, no 5, sept.–oct. 2007, p. 483–514 [lien DOI] 
  21. ↑ (en) C.K Fredrickson & Z.H. Fan, « Macro-to-micro interfaces for microfluidic devices », dans Lab on a Chip, vol. 4, no 6, déc. 2004, p. 526–533 [lien DOI] 
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  24. ↑ (en) N.Pamme, « Magnetism and microfluidics », dans Lab on a Chip, vol. 6, no 1, janv. 2006, p. 24–38 [lien DOI] 
  25. ↑ (en) S. Bronzeau & N. Pamme, « Simultaneous bioassays in a microfluidic channel on plugs of different magnetic particles », dans Anal. Chim. Acta, vol. 609, no 1, fév. 2008, p. 105–112 [lien DOI] 
  26. ↑ (en) J.D. Trumbull, I.K. Glasgow, D.J. Beebe & R.L. Magin, « Integrating microfabricated fluidic systems and NMR spectroscopy », dans IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 47, no 1, 2000, p. 3–7 [lien DOI] 
  27. ↑ (en) K.B. Mogensen, H. Klank & J.P. Kutter, « Recent developments in detection for microfluidic systems », dans Electrophoresis, vol. 25, no 21-22, 2004, p. 3498–3512 [lien DOI] 
  28. ↑ (en) J.R. Krogmeier, I. Schaefer, G. Seward, G.R. Yantz & J.W. Larson, « An integrated optics microfluidic device for detecting single DNA molecules », dans Lab on a Chip, vol. 7, no 12, déc. 2007, p. 1767–1774 [lien DOI] 
  29. ↑ (en) B. Kuswandi, Nuriman, J. Huskens & W. Verboom, « Optical sensing systems for microfluidic devices: a review », dans Anal. Chim. Acta, vol. 601, no 2, oct. 2007, p. 141–155 [lien DOI] 
  30. ↑ (en) M. Bowden, L. Song & D.R. Walt, « Development of a Microfluidic Platform with an Optical Imaging Microarray Capable of Attomolar Target DNA Detection », dans Analytical Chemistry, vol. 77, no 17, sept. 2005, p. 5583–5588 [lien DOI] 
  31. ↑ (en) L. Rindorf, P.E. Høiby, J.B. Jensen, L.H. Pedersen, O. Bang & O. Geschke, « Towards biochips using microstructured optical fiber sensors », dans Anal. Bioanal. Chem., vol. 385, no 8, août 2006, p. 1370–1375 [lien DOI] 
  32. ↑ (en) D. Psaltis, S.R. Quake & C. Yang, « Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics », dans Nature, vol. 441, no 7101, juil. 2006, p. 381–386 [lien DOI] 
  33. ↑ (en) « 10 Emerging Technologies That Will Change Your World », dans M.I.T.'s Technology Review, fév. 2004 [texte intégral] 

Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Microfluidique de Wikipédia en français (auteurs)

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