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RÉSUMÉ
Concevoir un dispositif microfluidique pour la chimie implique la prise en compte des propriétés du ou des matériaux, la stratégie de gestion des fluides dans les microcanaux, l’hydrodynamique fixée par la géométrie des canaux et la physico-chimie des fluides. Après avoir décrit les phénomènes physico-chimiques et hydrodynamiques qu’il convient de connaître et de maîtriser pour mettre au point des méthodes de traitement d’échantillon, les différentes briques élémentaires appartenant à la boite à outils des systèmes microfluidiques sont présentées afin d’aider le concepteur de procédés à utiliser cette technologie de la façon la plus judicieuse.
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Clarisse MARIET : Ingénieur chercheur - Direction de l’Énergie Nucléaire (DEN), Service d’Études Analytiques et de Réactivité des Surfaces (SEARS), CEA, Université Paris-Saclay, Gif sur Yvette, France
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Laurent VIO : Ingénieur chercheur - Direction de l’Énergie Nucléaire (DEN), Service d’Études Analytiques et de Réactivité des Surfaces (SEARS), CEA, Université Paris-Saclay, Gif sur Yvette, France
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Christine DALMAZZONE : Ingénieur de recherche - Direction Physico-Chimie et Mécanique Appliquées, - IFP Énergies nouvelles (IFPEN), Rueil-Malmaison, France
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Marie MARSIGLIA : Ingénieur de recherche - Direction Physico-Chimie et Mécanique Appliquées, - IFP Énergies nouvelles (IFPEN), Rueil-Malmaison, France
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Axel VANSTEENE : Doctorant - Direction de l’Énergie Nucléaire (DEN), Service d’Études Analytiques et de Réactivité des Surfaces (SEARS), CEA, Université Paris-Saclay, Gif sur Yvette, France
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Emmanuel MIGNARD : Chargé de recherche - CNRS, Université de Bordeaux, Solvay, LOF, UMR 5258, Pessac, France
INTRODUCTION
L’article [CHV 2 225], auquel le lecteur est invité à se reporter, expose les avantages et les inconvénients des laboratoires sur puce puis dresse l’état de l’art des microsystèmes développés spécifiquement pour des applications à la chimie séparative élémentaires (sels, métaux et radionucléides), pour les caractérisations chimiques et physico-chimiques des processus ainsi que pour l’intensification et l’accélération de la recherche et développement.
Le choix d’un dispositif microfluidique pour la chimie implique la prise en compte préalable de certaines contraintes comme le choix du ou des matériaux pour la conception des dispositifs et la gestion des fluides dans les microcanaux : compatibilité chimique, mouillabilité préférentielle aux parois, perte de charge, temps de mélange et de séjour, gestion d’une fraction solide (intégration d’un lit fixe ou écoulement d’une suspension par exemple), etc. C’est pourquoi le présent article est centré sur la description des phénomènes physico-chimiques et hydrodynamiques qu’il convient de connaître et de maîtriser pour mettre au point des méthodes de traitements d’échantillons telles que les techniques électrocinétiques, chromatographiques ou d’extraction liquide-liquide. Dans un second temps, les différentes briques élémentaires appartenant à la boite à outils des systèmes microfluidiques seront exposées afin d’aider le concepteur de procédés à les utiliser de la façon la plus judicieuse. Des exemples de procédés automatisés pour les besoins de l’industrie pétrolière seront présentés.
Voir aussi les articles [NM 6 020] et [NM 250] du traité Innovation – Nanosciences et nanotechnologies, et [IN 214] et [BM 7 970] du traité Mécanique – Travail des matériaux – Assemblage.
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Conclusion
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2. Concevoir un laboratoire sur puce pour une application à la chimie
De nombreuses briques unitaires font désormais partie de la « boite à outils » microfluidique. Des valves, des mélangeurs et des réacteurs chimiques ont été développés. L’assemblage de ces briques technologiques a été réalisé avec des logiques différentes (systèmes intégré ou modulaire) qui conduisent chaque fois au développement d’un microsystème spécifique à l’application visée.
Plusieurs filières de fabrication de microsystèmes existent qu’ils soient en polymère ou en verre et nécessitent à chaque fois une expertise et des moyens expérimentaux particuliers. La tendance actuelle va vers la conception de microsystèmes hybrides contenant à la fois du verre et un ou plusieurs polymères apportant chacun une propriété physique intéressante (dureté, transparence, facilité de mise en œuvre, résistance au milieu chimique…).
2.1 Fonctions de base
La conception, c’est-à-dire l’architecture, est peut-être la caractéristique la plus importante d’un microsystème puisqu’elle définit la fonction et la séquence des actions qui se déroulent dans le dispositif. Le tableau 2 regroupe les principales fonctions présentes sur les laboratoires sur puce. Dans cette partie, nous passons en revue les solutions technologiques développées pour assurer ces différentes fonctions.
HAUT DE PAGE2.1.1 Mélangeurs ou microréacteurs « chaotiques »
Généralement, l’agitation est le moyen d’initier, d’accélérer ou d’améliorer les phénomènes physico-chimiques mis en jeu. Le mélange est un procédé physique qui a pour but de tendre vers une distribution de la concentration uniforme dans un volume fini. Habituellement, l’objectif est d’obtenir un temps de mélange le plus court possible. La diffusion peut être efficace pour déplacer et mélanger des solutés à l’échelle micrométrique en flux laminaire ; cependant le mélange réalisé par la seule diffusion peut alors être très lent. Pour surmonter cette limitation et améliorer le mélange...
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Concevoir un laboratoire sur puce pour une application à la chimie
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ZHUANG (Z.), MITRA (I.), HUSSEIN (A.), NOVOTNY (M.V.), MECHREF (Y.), JACOBSON (S.C.) - Microchip electrophoresis of N-glycans on serpentine separation channels with asymmetrically tapered turns. - Electrophoresis 32, p. 246-253 (2011).
-
(2) - BODOR (R.), MADAJOVA (V.), KANIANSKY (D.), MASAR (M.), JOHNCK (M.), STANISLAWSKI (B.) - Isotachophoresis and isotachophoresis – zone electrophoresis separations of inorganic anions present in water samples on a planar chip with column-coupling separation channels and conductivity detection. - J. Chromatogr. A 916, p. 155-165 (2001).
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(3) - BLAS (M.), DELAUNAY (N.), ROCCA (J.-L.) - Electrokinetic-based injection modes for separative microsystems. - Electrophoresis 29, p. 20-32 (2008).
-
(4) - LIN (J.Y.), FU (L-M), YANG (R-J) - Numerical simulation of electrokinetic focusing in microfluidic chips. - J. Micromech. Microeng. 12, p. 955-961 (2002).
-
(5) - FU (L.M.), YANG (R.J.), LEE (G.B.), PAN (Y.P.) - Multiple injection techniques for microfluidic sample handling. - Electrophoresis...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
[Logiciel] Solidworks
HAUT DE PAGE
Journal Lab-on-a-Chip
http://www.pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/lc
Klearia
Micralyne
Micronit
http://www.goodfellow-ceramics.com
https://topas.com/sites/default/files/files/optical_e.pdf
https://www.newsanyway.com/2018/01/15/tailor-made-microreactor-chemical-synthesis/
HAUT DE PAGE
Lab-on-a-Chip World Congress
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