Angle de 90°

Le design de la plaque destinée à tester l’aspiration de phase porteuse avec un angle de 90° est détaillé sur la figure V.6. Il comprend plusieurs zones d’injection et deux zones avec des aspirations consécutives. Avec un angle de 90°, canal principal et canaux secondaires ont exactement le même diamètre après gravure ; le phénomène d’élargissement constaté pour un angle de 20° est donc supprimé.

Figure V.6 : Design du bloc d’essai pour l’aspiration de la phase porteuse avec un angle de 90° par rapport au canal principal : en trait plein, les canaux d’écoulement ; en pointillés les canaux de soudure.

Comme précédemment, les gouttes entrent dans le microsystème par un capillaire de 180 microns placé dans la gravure à des débits d’alimentation de 4 mL/h pour la solution aqueuse et de 100 μL/h pour la solution de TPGDA. Dans ce cas, elles s’écoulent au centre du canal que ce soit avant ou après la zone d’aspiration : la largeur du canal secondaire ne suffit pas à perturber les lignes de courant du canal principal. L’aspiration de la phase porteuse est toujours assurée par un capillaire situé quelques centimètres en amont du canal principal. Le débit de soutirage est augmenté progressivement jusqu’à ce que les gouttes soient aspirées dans le canal secondaire (figure V.7).

Figure V.7 : Evolution du train de gouttes (eau 4 mL/h – TPGDA 100 μL/h) avec l’augmentation du débit d’aspiration pour un angle de 90°

0.5 mL/h 1.0 mL/h 1.5 mL/h 2.0 mL/h 2.5 mL/h Sans aspiration Aspirations successives

Injection 1 Injection 2 Injection 3

Sortie du système Arrivée

des gouttes

De 0 à 1,5 mL/h, l’écart entre les gouttes est progressivement réduit avec le débit de soutirage. Pour un débit de 1,5 mL/h, les gouttes sont très proches de la paroi mais sans la heurter. A 2 mL/h, un état d’équilibre se crée : à l’intersection entre le canal principal et le canal secondaire, la goutte soit poursuit son chemin dans le canal principal soit est aspirée dans le canal secondaire. Au moment où la goutte doit choisir son canal d’écoulement, elle reste figée quelques instants à l’intersection de la paroi de gauche du canal secondaire et la paroi inférieure du canal principal. L’alternance est régulière puisque tour à tour une goutte est aspirée et la suivante reste dans le canal principal. A partir de 2,5 mL/h, les gouttes sont toutes attirées dans le canal secondaire. De nombreux phénomènes de mouillabilité sont venus perturber les mesures, mais mis à part l’éclatement de gouttes de temps en temps, les écoulements constatés sont réguliers.

Pour prévenir ces problèmes de mouillabilité, une nouvelle série de mesures (figure V.8) est effectuée avec un débit de phase continue plus élevé (6 mL/h), le débit de TPGDA est maintenu à 100 μL/h. Les gouttes générées sont ainsi plus petites et devraient donc moins se rapprocher des parois.

De 0 à 1 mL/h, l’aspiration n’a quasiment aucun effet sur le rapprochement des gouttes. A partir de 1,5 mL/h, l’écart entre les gouttes commence à diminuer plus nettement et elles s’éloignent du centre du canal sous l’effet de l’aspiration. A partir de 2,5 mL/h, les gouttes commencent à heurter la paroi juste après le canal secondaire, l’écart est minimal entre chaque goutte. A 3 mL/h, de nombreuses gouttes viennent s’éclater à l’angle entre le canal principal et le canal d’aspiration. Au bout de quelques minutes, l’ensemble des gouttes est récupéré dans le canal secondaire.

Figure V.8 : Evolution du train de gouttes (eau 6 mL/h – TPGDA 100 μL/h) avec l’augmentation du débit d’aspiration pour un angle de 90°

1.5 mL/h 2.0 mL/h 2.5 mL/h 3.0 mL/h 3.0 mL/h Sans aspiration Sens de l’écoulement

La figure V.9 compare les effets du soutirage pour les deux débits de phase continue décrits ci-dessus. Le comportement des deux écoulements à gouttes face au soutirage de la phase continue est similaire pour les faibles débits d’aspiration : il y a en effet, moins de 10 % de réduction de la distance entre les gouttes par rapport à l’écart initial. A partir d’un certain débit de soutirage, l’écart commence à se réduire entre les gouttes. Le débit minimum d’aspiration effective est dépendant du débit de la phase porteuse, il existe un écart de 0,5 mL/h entre le train de gouttes à 4 mL/h et à 6 mL/h, équivalent à la moitié du débit maximum avant aspiration dans le canal secondaire. Il semble enfin qu’au débit maximum de soutirage, plus le débit de phase porteuse est important plus il est possible de réduire la distance entre les gouttes.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 Ratio Qasp/Qc V a ri a ti o n de di st a n ce ( % ) 4 mL/h 6 mL/h

Figure V.9 : Influence du débit de phase continue sur le pouvoir d’aspiration du canal secondaire avec un angle de 90°

Dans la configuration d’aspiration avec un angle de 90°, l’insertion d’un capillaire jusqu’à l’entrée du canal est possible contrairement à la configuration avec un angle de 20°. Le design avec un capillaire affleurant est d’abord testé avec un capillaire de diamètre interne de 50 microns, petit par rapport à la dimension des gouttes, mais la perte de charge à vaincre pour soutirer la phase porteuse est trop importante malgré une longueur de capillaire de 5 à 6 cm. Ainsi des capillaires de 180 microns sont utilisés comme dans les configurations précédentes.

Dans cette configuration, une nouvelle série de mesures est effectuée avec un débit de phase continue de 4 mL/h et un débit de TPGDA de 100 μL/h. Les faibles débits de soutirage n’ont aucun effet sur le train de gouttes circulant dans le canal principal. Il n’y a qu’à partir d’un débit de 2 mL/h que l’effet du soutirage commence à modifier le train de gouttes. Cependant l’aspiration n’est pas homogène et l’écart entre les gouttes est fluctuant. La figure V.10 illustre ce phénomène pour un débit d’aspiration de 2,5 mL/h.

Figure V.10 : Aspiration pour un angle de 90°avec un capillaire affleurant (eau 4mL/h – TPGDA 100 μL/h – aspiration 2,5 mL/h)

En outre à partir de 2,5 mL/h, des gouttes commencent à être aspirées dans le capillaire d’aspiration et lors de ce transport elles peuvent éclater ou rester piégées au niveau de la paroi du capillaire si la coupure de ce dernier n’est pas nette. Ces problèmes rencontrés seraient d’autant plus dommageables dans le cadre de la manipulation de particules puisqu’un bouchon rendrait le microsystème complètement inutilisable. Il est donc préférable d’utiliser le canal gravé dans le plexiglas avec un capillaire placé en amont de l’intersection avec le canal principal comme canal pour le soutirage de la phase continue.