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.



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Mécanique des fluides - Micro-électronique - Électronique

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.

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 dispositifs 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 avec nouvelles techniques». Tabeling précise qu'il entend principalement par «nouvelles techniques» les techniques de microfabrication héritées de la micro-électronique[2]. La première définition fait bien apparaître la dualité de la microfluidique : comme science, elle englobe l'étude des phénomènes et la mécanique des fluides à l'échelle micrométrique ; comme technique, elle contient aussi 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 dispositifs microfluidiques, par exemple les systèmes 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 la totalité des dispositifs microfluidiques naturels, tels que les capillaires sanguins ou le transport de sève dans les plantes. On peut définir plus largementla microfluidique comme la science et la technologie des dispositifs 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 spécifiquement 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] ; dans un premier temps, le succès des méthodes analytiques au format capillaire (chromatographie liquide à haute performance, électrophorèse) a conduit à miniaturiser davantage les systèmes, afin de perfectionner la sensibilité et la résolution des analyses. Le développement de la microfluidique a aussi été abondamment subventionné par les agences militaires, pour répondre au risque des armes chimiques et biologiques. D'autre part, la course au séquençage du génome humain, rapidement suivi par le protéome et le métabolome, ont rendu indispensable le développement d'outils d'analyse haut débit hautement parallélisables. Enfin, la microfluidique a beaucoup 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, particulièrement présente dans la vie quotidienne, surtout dans le domaine de la santé. Une raison pouvant expliquer cette latence est que la microfluidique reste une discipline assez jeune ; de très nombreux systèmes 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 système final par une personne non avertie. En ce sens, les tests de grossesse jetables, quoique plus simples, sont un exemple à suivre[5]. La communauté scientifique reste cependant surtout 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 par conséquent de la taille caractéristique d : (a) écoulement laminaire, (b) écoulement turbulent

Aux petites dimensions, les phénomènes physiques macroscopiques ne subissent pas uniquement 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 aisément les caractéristiques d'un dispositif microfluidique, plusieurs grandeurs sans dimension ont été introduites[8]. La plus commune est certainement le nombre de Reynolds Re, proposé en 1883[9], qui caractérise le rapport entre les forces d'inertie et les forces de viscosité. Les dispositifs microfluidiques sont le plus souvent caractérisés par un petit nombre de Reynolds : les forces de viscosité sont prépondérantes. Ce comportement se traduit par des flux laminaires. On peut aussi citer le nombre de Péclet Pe, liant convection et diffusion, et le nombre de Knudsen Kn, servant à 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 :

Quand 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 fréquemment 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 dispositif microfluidique : les zones d'écoulement, les systèmes d'actionnement et l'interface avec le monde extérieur. Les zones d'écoulement sont le plus souvent 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 particulièrement pour les dispositifs microfluidiques[12]. La géométrie et le design des zones d'écoulement est aussi 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 dispositif micrométrique et le monde extérieur[2], [21]. Il s'agit de développer des interfaces, si envisageable normalisées[22], entre des dispositifs d'échelles particulièrement différentes. Tous ces aspects ne recouvrent que les fonctions de base, qu'on rencontre le plus souvent dans tout dispositif microfluidique ; d'autres fonctions plus évoluées sont fréquemment 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, surtout 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 certainement les têtes d'enregistrement pour disques durs, fonctionnant sur le principe de la magnétorésistance géante. En microfluidique, les éléments magnétiques servent essentiellement à la manipulation d'échantillons : pompes, valves, mélangeurs, triage, séparation, etc. [24] Les particules magnétiques (surtout les billes) sont spécifiquement 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 dispositif de résonance magnétique nucléaire[26]. À l'inverse, les composants optiques sont le plus souvent 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]. Quelquefois, 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 dispositifs 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
  • vannes
  • valves
  • mélangeurs
  • actionnement mécanique, chimique
  • micropyrotechnie

Fabrication des systèmes microfluidiques

Matériaux

Techniques de microfabrication

Applications

Voir aussi

Condition de non-glissement, Écoulement de Stokes, Écoulement de Poiseuille, Viscosité cinématique, Viscosité, Fluide, Turbulence, Équations de Navier-Stokes, Gravité, Écoulement laminaire, Mécanique des fluides, Micro electro mechanical systems, Microfluidique discrète (en :Digital microfluidics)

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 essentiellement orientée sur le domaine de la chimie et la santé ; le compte total des publications concernant la microfluidique est par conséquent certainement toujours plus élevé.

Références

  1. (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. P. Tabeling, Introduction à la microfluidique, 2003 [détail des éditions]
  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, 2004 [détail des éditions]
  8. (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 micrœlectromechanical 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 Micrœngineering, 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 Micrœngineering, vol.  18, no 1, janv. 2008, p.  013001–0130022 [lien DOI]
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  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]
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  25. (en) S. Bronzeau & N. Pamme, «Simultaneous bioassays in a microfluidic channel on plugs of different magnetic particles», dans Analytica Chimica Acta, vol.  609, no 1, fév. 2008, p.  105–112 [lien DOI]
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  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]
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  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]
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  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]

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