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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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Concevoir un laboratoire sur puce pour une application à la chimie
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1. Principe de fonctionnement des laboratoires séparatifs et méthode de dimensionnement
Les principes de fonctionnement des séparations et le comportement hydrodynamique des fluides en systèmes microfluidiques sont rappelés afin d’éclairer la phase de conception et de dimensionnement des laboratoires sur puce dédiés à la chimie séparative élémentaire.
1.1 Systèmes électrocinétiques
1.1.1 Techniques électrocinétiques de séparation élémentaire
Le principe du développement de méthodes en électrophorèse de zone est exposé dans l’article [P 3 365]. Il consiste à maximiser les différences de mobilité électrophorétique entre les analytes d’intérêt en fonction de leur chimie en solution dans l’électrolyte support pour aboutir à leur séparation dans un système de longueur de séparation donnée. Si l’utilisation de capillaires de silice de plusieurs dizaines de centimètres est classique en électrophorèse de zone, en microfluidique l’espace disponible sur la puce est limité et impose l’utilisation de canaux en serpentin ou en spirale.
De façon à réduire la dispersion créée dans les zones courbes, des rayons de courbures faibles sont préférés aux angles droits ainsi que des structures en serpentin ayant une largeur des canaux dans les courbes réduite d’un facteur a minima égal à deux par rapport à la largeur du canal dans les zones rectilignes ...
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Principe de fonctionnement des laboratoires séparatifs et méthode de dimensionnement
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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