Quelques exemples de mise en oeuvre de la DEP en haute fréquence

L’une des premières démonstrations de caractérisation de la seconde fréquence de coupure a été réalisée sur des bactéries Escherichia coli au travers des travaux de Castellarnau et al.

[101]. L’étude de deux types de bactéries Escherichia coli, normales versus mutantes (c.à.d ayant un allèle mutant), a permis de mettre en évidence la corrélation entre leur réponse diélectrophorétique et leurs propriétés diélectriques. Les mesures ont été réalisées en utilisant une paire d’électrodes en configuration U et T (Figure. 32), et deux générateurs basse et haute fréquence pour générer le signal AC ayant une amplitude 6-10 Vpk-pk dans la bande de fréquence 10 kHz-200MHz.

Figure. 32 Paire d’électrodes en configuration U et T pour la manipulation cellulaire par DEP [101].

La méthodologie de mesure consiste à balayer le spectre fréquentiel afin de trouver une transition entre la DEP positive et la DEP négative. A la fréquence de transition, la force de DEP est alors proche de zéro. La Figure. 33 montre qu’en basse fréquence les valeurs de fréquence de transition 𝑓_𝑥𝑜1 des bactéries normales (E.coli 5K) et mutantes (Hha-3 hns, Hha-3 et 5K hns) sont différentes. Par contre, on remarque que les bactéries mutantes présentent à peu près la même fréquence de transition entre elles. Cela s’explique par le fait que les bactéries mutantes présentent des propriétés d’enveloppe membranaires similaires. Par contre en haute

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fréquence une différence de la deuxième fréquence de transition 𝑓_𝑥𝑜2 entre les bactéries mutantes, normales et mutantes elles-mêmes est liée à la conductivité du cytoplasme.

Figure. 33 Evolution des fréquences de transition 𝑓_𝑥𝑜1 et 𝑓_𝑥𝑜2 en fonction de la conductivité du milieu

[101].

Une autre étude intéressante réalisée par Chung et al. [88] propose la caractérisation haute fréquence (détermination de la deuxième fréquence de transition 𝑓_𝑥𝑜2) de cellules de myélome (cellules cancéreuses du plasma sanguin). Pour effectuer les mesures de 𝑓_𝑥𝑜2, ils ont utilisé le système électrique présenté sur la Figure. 34.a. Ce dernier est composé d’un générateur qui fournit une onde sinusoïdale entre 2 MHz et 500 MHz avec une tension égale à 2 Vpk-pk. Le générateur est relié à un amplificateur de puissance avec un gain d’environ 17,5 dB lorsqu’il est relié à une charge de 50 Ω. C’est pour cette raison qu’une résistance de 50 Ω est associée en parallèle à la structure d’électrodes interdigitées utilisées pour générer le gradient de champ électrique et donc la force de diélectrophorèse. Pour déteminer 𝑓_𝑥𝑜2, les auteurs ont diminué progressivement la fréquence du signal à partir de 400 MHz, pour voir à partir de quelle fréquence les cellules excitées par le champ électrique subissent un mouvement de transition de la DEP négative (au-dessus des électrodes) à la DEP positive (aux bords des électrodes). La

Figure. 34.b montre que la grande majorité des cellules subissent cette transition à la fréquence de 195 MHz qui est donc la valeur retenue de 𝑓_𝑥𝑜2 pour ce type cellulaire.

En outre, ils ont étudié l’influence de l’osmolarité du milieu de suspension sur la valeur de la fréquence de transition 𝑓_𝑥𝑜2. La Figure. 34.c montre que les solutions possédant une osmolarité élevée ont tendance à entraîner des basses valeurs de 𝑓_𝑥𝑜2.

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Figure. 34 (a) Schéma du système électrique haute fréquence, (b) spectre de 𝑓_𝑥𝑜2 pour les cellules de

myélome (n=418) suspendues dans un milieu de DEP possédant une osmolarité 310 mOsm/L et une conductivité 33 mS/m, c) fréquence de transition 𝑓_𝑥𝑜2 moyenne de cellules de myélome suspendues dans des milieux de DEP possédant différentes osmolarités [88].

Hadady et al. [89] ont également utilisé des techniques de DEP haute fréquence pour étudier la réponse diélectrophorétique haute fréquence de cellules microalgues (Chlamydomonas reinhardtii) à différents teneurs en lipides.

Dans cette étude, les cellules de microalgues ont été cultivées dans deux milieux différents, N+ (milieu riche en azote) et N- (milieu pauvre an azote). Les mesures ont été réalisées en appliquant aux électrodes de forme d’aiguille ayant un gap 100 µm, un signal sinusoïdal amplifié dans la gamme 20-80 MHz avec une amplitude de 30 Vpk-pk. L’étude menée montre qu’en fonction du temps, dans le milieu N-, la concentration en lipides augmente dans les cellules de microalgues, par contre dans le milieu N⁺ la concentrationen lipides reste à peu près constante. Sur la même période de culture, la Figure. 35.a montre que les hautes fréquences de transition des cellules N^- et N⁺ diminuent. Cependant, la diminution de la haute fréquence de transition des cellules contenant plus de lipides est plus forte que celle des cellules contenant une teneur faible en lipides. Ainsi, comme la haute fréquence de transition est liée aux

(a)

(c) (b)

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propriétés diélectriques du cytoplasme, cela permet de suivre les modifications du cytoplasme des cellules en culture dans les deux milieux durant toute la période de culture.

Figure. 35 (a) Fréquence de transition de • cellules N+ et ◦ cellules N- en fonction du temps, dans un

milieu de conductivité 106 ± 1 µS/cm, (b) séparation de cellules microalgues de faible et forte teneur de lipides par la diélectrophorèse haute fréquence [89].

En effet à la fin de la période de culture, dans un milieu de suspension ayant une conductivité 106 ± 1 µS/cm, le décalage obtenu entre les deux fréquences de transition, des cellules N- et N+, est de l’ordre de 13 MHz. En utilisant ces conditions, la Figure. 35.b montre qu’il est possible de séparer assez simplement les cellules de microalgues en statique, de teneur en lipides différentes, en appliquant une fréquence intermédiaire de valeur 41 MHz. En effet, à cette fréquence, les cellules ayant une faible teneur en lipides vont réagir en DEP positive alors que les cellules ayant une forte teneur réagissent en DEP négative.

(a) U pper Cr oss ove r Fre q . (M H z ) Time (Days) (a) (b) 20 MHz 41 MHz 50 MHz Gre e n B inar y La y e r R e d B inar y La y e r U nder UV il lum inat ion

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De plus Hadady et al. [102] ont essayé de trier des cellules microalgues à différentes teneurs en lipides en flux, en utilisant également la technique de DEP haute fréquence. Le signal amplifié est généré par le banc expérimental décrit sur la Figure. 36.a. Il a été appliqué à des électrodes interdigitées placées à 45° et espacées de 50 µm, à un signal de fréquence 50 MHz et d’amplitude 30 Vpk-pk pour générer les forces de DEP qui agissent sur les cellules de microalgues.

Figure. 36 (a) Schéma du banc expérimental haute fréquence, (b) séparation des cellules de microalgues

de faible et forte teneur en lipides sous l’action d’un champ électrique appliqué à 50 MHz pour une tension 30 Vpk-pk [102].

Pour séparer les cellules en flux, ils ont trouvé que la fréquence optimale qui permet de générer une différence significative de 𝑅𝑒[𝐾(𝜔)] entre les cellules de faibles et fortes teneurs en lipides, est située entre 40 et 60 MHz. Ainsi à la fréquence 50 MHz, les cellules de faible teneur de lipides réagissent en DEP positive et elles sont transférées dans une trajectoire zigzag

Camera/Microscope Signal Generator Syringe pump Cells Sheath DEP Separator Vials Attenuator Local Oscilloscope RF Amp. DC Power Supply (a) (b) Sortie 2 Sortie 1

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à la sortie 1. Par contre, les cellules de forte teneur de lipides sont soumises à des forces de DEP négative ou non et elles continuent sa trajectoire jusqu’à la sortie 2 (Figure. 36.b).

Sur le même principe, Schor et Buie [103] ont fabriqué un trieur sur la base de la diélectrophorèse pour séparer des microorganismes contenant des lipides, en utilisant des champs électriques alternatifs en haute fréquence. La Figure. 37.a montre le dispositif qui a été utilisé. Il est formé d’une série de plots conducteurs d’épaisseur 15 µm, qui s’étendent sur la hauteur du canal microfluidique ce qui permet de générer un champ électrique homogène dans le canal. Ce trieur a été testé avec des levures oléagineuses contenant différents teneurs en lipides. Ainsi à une fréquence 150 MHz (Figure. 37.b),les levures en flux, ayant une faible teneur en lipides ne réagissent pas en DEP ; par contre les levures ayant une forte teneur en lipides sont attirées et piégées sur les plots métalliques.

Figure. 37 (a) Dispositif du tri formé d’une série de plots, (b) comportement diélectrophorétique de

cellules de levures à une fréquence 150 MHz [103].

(a) (b)

No deflection

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