But, principe et structure du dispositif

Le but de ce projet est de coupler les avantages de la lithographie molle du PDMS et des dépôts de couches minces (Figure 4.3) pour fabriquer un dispositif de PCR sur puce, performant et réutilisable. Le dispositif devra permettre le suivi d’un signal fluorescent au cours de la PCR et intégrer un système de refroidissement performant.

Le dispositif proposé est composé de deux parties distinctes :

- Des dépôts de couches minces sur un substrat en verre pour la chauffe et la mesure de température.

- Un assemblage de couche de PDMS contenant la chambre réactionnelle et le système de refroidissement.

Figure 4. 3: Schémas simplifié du dispositif de PCR proposé

Afin de permettre le suivi par fluorescence de la réaction, l’élément chauffant du dispositif est composé d’une couche mince transparente d’ITO. Une piste de platine déposée au dessus de la couche d’ITO permet de mesurer localement la température au cours de la réaction. Afin d’atteindre la température désirée, le courant traversant la couche d’ITO est adapté en fonction de la température mesurée par la piste de platine.

Les technologies multicouches de PDMS nous permettent de fabriquer des dispositifs microfluidiques contenant plusieurs étages de microcanaux avec des distances entre les couches, d’une dizaine de microns. Cette faible épaisseur de séparation entre les couches nous permet de tirer avantage de la rapidité et de l’efficacité des transferts thermiques aux petites échelles. Dans sa version la plus simple, la partie fluidique est constituée de trois couches :

- La première couche de PDMS, en contact avec la lamelle de verre, sert de couche sacrificielle. Elle permet de séparer, une fois l’expérience terminée, la partie fluidique et la partie contenant les électrodes.

-La seconde couche contient la chambre réactionnelle contenant le mélange de PCR. - Une troisième couche, collée au dessus de la couche contenant la chambre de PCR, contient les canaux de refroidissement.

95 4.2.3 Technologies utilisées

La base de notre dispositif est constitué d’une lamelle de verre de l’épaisseur désirée (250µm ou 1mm) sur laquelle nous avons déposé une couche d’ITO de 10 Ω/□ uniformément sur toute la surface et dont la forme sera déterminée ultérieurement par photolithographie. L’ITO est un oxyde résistif, il a l’avantage d’être transparent lorsqu’il est déposé en couche mince. Lorsqu’un courant traverse une piste d’ITO, celle-ci s’échauffe par effet joule ; ainsi en faisant varier le courant, il est possible de faire varier la température de la piste et celle du milieu environnant. Une piste de platine de 50 nm d’épaisseur permet de déterminer la température de la piste d’ITO localement par une simple mesure de la résistance électrique. Afin de préserver la transparence du dispositif, la piste de platine est localisée dans une zone restreinte. Afin d’éviter les contacts électriques entre la piste d’ITO et la piste de platine, une couche de diélectrique sépare les deux couches. Une seconde couche de diélectrique est déposée sur le platine pour éviter toute fuite électrique entre la piste de platine et les futurs canaux fluidiques. Le dépôt de platine est un assemblage de 5nm de titane, de 50 nm de platine, et de 5nm de chrome afin de permettre l’adhésion de la couche métallique aux diélectriques situés de chaque coté de cette dernière. Une fois toutes les étapes technologiques terminées, les contacts électriques sur l’ITO et sur les pistes de platine sont effectués à l’aide d’une colle époxy conductrice. La procédure technologique de fabrication du dispositif est détaillée sur la figure 4.4.

Figure 4.4 : Procédure technologique d’intégration des éléments de chauffe et de mesure de température sur le substrat en verre

Comme décrit auparavant la partie fluidique est constituée d’un empilement de trois couches de PDMS (Figure 4.5-6). La première couche de PDMS, utilisée comme couche sacrificielle, est spincoater à 6000tr/min, sans traitement plasma préalable, sur la lamelle de verre contenant les électrodes. En l’absence de traitement plasma préalable des surfaces, aucune liaison covalente ne lie la couche de PDMS et la lamelle de verre. Il sera donc

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possible de les séparer par simple action mécanique. En parallèle, comme décrit sur le schéma techno ci-dessous, un bloc de PDMS dans lequel sont moulés les canaux de refroidissement est collé par plasma au dessus d’une fine couche de PDMS spincoaté à 3000tr/min sur un moule contenant le design des chambres de PCR. Cet assemblage de canaux de refroidissement et de chambre de PCR est ensuite collé de manière covalente, à l’aide d’un traitement plasma sur la couche de PDMS sacrificielle. En fonction des contraintes liées à l’application voulue, il est également possible de coller un bloc de PDMS additionnel contenant des canaux de refroidissement au dos de la lamelle de verre.

Figure 4.5 : Etape de fabrication technologique de la partie fluidique du dispositif de PCR

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Sur la figue 4.6 nous pouvons voir les différentes parties du dispositif : 1 : Lamelle de verre.

2 : Piste de chauffe en ITO.

3 : Assemblage multicouche de PDMS contenant la chambre de PCR et les canaux de refroidissement.

4 : Elément de mesure de température en platine.

5 : Bloc de refroidissement additionnel. (Dit refroidissement arrière)

L’ensemble des étapes technologiques décrites précédemment forme un dispositif complet dont la partie contenant les électrodes peut être réutilisée. La procédure qui permet la réutilisation du dispositif est décrite dans la figure 4.7.

Figure 4.7 : Illustration de la méthode de récupération de dispositif. Cette méthode permet de conserver la lamelle de verre contenant les électrodes intégrées et de se débarrasser

du dispositif microfluidique en PDMS souillé par les réactifs.

La partie obtenue par moulage, souillée par les réactifs de PCR, est séparée puis jetée, tandis que la partie propre, contenant les électrodes, protégée par la couche de PDMS sacrificielle, peut être réutilisée pour fabriquer un nouveau dispositif.

Nous avons conçu la chambre de PCR de manière à limiter le rapport surface sur volume. Pour cela il est nécessaire de limiter les différences de taille entre les différentes dimensions du système. Nous avons donc opté pour des chambres de PCR de 150µm de hauteur, ce qui correspond à l’épaisseur maximum autorisée par les résines SU8 que nous possédons. Il est également nécessaire d’éviter la formation de bulles d’air, dues aux forces capillaires, lors du remplissage de la chambre de PCR. La présence d’angles dans le design crée des zones difficiles à remplir, lors de l’injection du liquide. Pour cette raison, la chambre de PCR est de forme circulaire. Les expériences et les caractérisations thermiques présentées dans cette thèse utilisent le type de design présenté dans la figure 4.8 :

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Figure 4.8 : Ce dispositif est constitué d’une chambre de PCR circulaire de 3mm de rayon et de 150µm de haut. Cette chambre est surmontée d’un circuit de refroidissement formé d’une

série de canaux d’une hauteur de 150µm.

Les canaux de refroidissement couvrent toute la chambre de PCR pour assurer une température homogène et empêcher l’évaporation de l’eau contenue dans le mélange de PCR. Bien entendu, il est possible, en fonction de l’expérience à mener, de faire varier les designs de la couche contenant la chambre de PCR et de la couche contenant les canaux de refroidissement. Cette dernière peut éventuellement contenir des valves et des canaux d’hydratation. Par exemple, dans le dispositif de test ci-dessous que nous avons réalisé pour un projet de PCR sur cellule unique, la chambre de PCR a été remplacée par un mixer rotatif en forme d’anneau permettant un meilleur mélange des réactifs. Le mouvement des liquides est contrôlé par une série de valves contenues dans la couche de refroidissement, formant ainsi une pompe péristaltique (Figure 4.9).

Figure 4.9 : Micro-photographie d’une variante de notre dispositif de PCR, utilisé pour des tests de PCR sur cellule unique.

Avec,

1 : Piste de platine

2 : Anneau contenant le mélange de PCR.

3 : Vanne permettant l’isolation de l’anneau de réaction après l’injection des réactifs de PCR.

4 : Canaux de refroidissement

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4.3 Résultats