Influence du papier sur les écoulements diphasiques

En microfluidique, la production de gouttes est automatisée sous écoulement par la géomé-trie : jonction T ou focalisation hydrodynamique. Chaque goutte est alors considérée comme un réservoir d’analyse indépendant, comme dans une plaque multipuits mais à plus petite échelle.

Segmentation de l’échantillon élué en gouttes

Le défi avec l’interface papier en entrée de la puce microfluidique consiste à éluer l’échantillon séché et à le fragmenter en gouttes d’eau dans l’huile. Contrairement au cas standard, il n’est pas possible de pressuriser l’écoulement par l’entrée papier. Il faut donc combiner une dépression en sortie de canal avec des débits imposés d’huile.

Expérimentalement pour les deux géométries (focalisation hydrodynamique et jonction T), l’entrée papier est alimentée par des dépôts réguliers d’eau dans la zone de dépôt de gouttes. Le débit d’huile est contrôlé par un pousse-seringue et la sortie du microsystème est reliée, comme

114 Chapitre 4. Microsystèmes pour l’élution d’échantillons séchés sur papier

dans la situation précédente, à un pousse-seringue qui impose une dépression. Dans le cas de la jonction T, une entrée additionnelle, également contrôlée par un pousse-seringue, permet de mélanger dans chaque goutte l’éluat et un réactif supplémentaire.

Figure 4.10 – Production microfluidique de gouttes à partir d’échantillons séchés sur papier.

En figure 4.10 sont présentés les résultats d’élution de fluorescéine séchée sur papier dans une focalisation hydrodynamique et de colorant bleu séché sur papier dans une jonction T. Avec des débits appropriés pour l’entrée d’huile et la sortie du microsystème, il est possible d’obtenir une production de gouttes stable. L’exploration des différents régimes en fonction des débits donne lieu à l’établissement de diagrammes de phase.

Etablissement des diagrammes de phases

Focalisation hydrodynamique Dans la géométrie de focalisation hydrodynamique, le dia-gramme de phase est obtenu en observant les régimes d’écoulement selon les débits imposés en sortie et sur l’entrée d’huile (figure 4.11).

Figure 4.11 – Diagramme de phase d’un microsystème hybride papier-PDMS pour la géométrie de

4.2. Etude des écoulements dans les microsystèmes hybrides avec bandelette de papier 115 Lorsque le débit d’huile est trop important par rapport à l’aspiration en sortie, l’huile envahit le microcanal correspondant à l’entrée de papier. C’est le régime de reflux. Des écoulements co-axiaux eau-huile se forment lorsque le débit d’huile n’est pas suffisant pour provoquer l’in-stabilité hydrodynamique. Entre ces deux régimes se trouve la production de gouttes. Expéri-mentalement, il faut un débit de sortie supérieur à 500 μL/min et un débit d’huile de l’ordre de 30 μL/min.

Un diagramme de phase pour la géométrie de focalisation hydrodynamique, sans interface papier, est proposé dans la littérature [160] et reproduit en figure 4.11. Aux petits nombres capillaires de la phase dispersée, deux régimes sont observés : les écoulements coaxiaux et la production de gouttes.

Dans la partie précédente, nous avons montré que, dans un microcanal droit, quel que soit le débit imposé en sortie, l’apport liquide par la pompe capillaire limite le débit maximal dans la puce microfluidique. En considérant un débit d’eau entre 2,5 et 10μL/min, le nombre capillaire de cet écoulement est compris entre 7× 10−3 et 3× 10−2. Le dispositif avec jonction papier présente donc les mêmes régimes d’écoulement qu’une puce microfluidique standard.

Jonction T Dans la littérature microfluidique [161], une loi d’échelle (équation 4.1) relie les paramètres de la taille de gouttes et les débits imposés, dans une géométrie de jonction T.

L

w = 1 + α^Qentrée

Q_huile (4.1)

Avec L et w la longueur et la largeur de la goutte, Qentrée le débit de la phase dispersée et Qhuile le débit d’huile. α est un paramètre dont l’ordre de grandeur est 1. Les résultats d’estimation de ce paramètre par plusieurs équipes, sont proposés en figure 4.12.

Figure 4.12 – Evolution de la taille de gouttes en fonction des débits imposés dans une jonction T et lois

d’échelles proposées dans la littérature.

Avec un microsystème hybride papier-PDMS, aux petits débits d’aspiration, le débit d’entrée est estimé selon l’équation suivante :

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Expérimentalement, cette loi est vérifiée pour une valeur de paramètre α = 0, 6. La dispersion des points de mesure vient de l’hypothèse de conservation des débits au sein de la jonction T. En effet, le débit de sortie n’est pas rigoureusement égal au débit imposé par le pousse-seringue à cause de la compressibilité du réservoir d’air initialement présent dans la seringue et les connectiques.

Un diagramme de phase de la jonction T avec une entrée papier est proposé en figure 4.13. Quatre régimes sont observés. Lorsque le débit de sortie est trop important, l’entrée papier laisse passer un flux d’air. Comme dans la focalisation hydrodynamique, avec un débit d’huile trop élevé par rapport au débit total, l’écoulement d’huile envahit les microcanaux de la phase dispersée. Aux trop faibles débits d’huile, le cisaillement n’est pas assez important pour former des gouttes, c’est le régime des écoulements coaxiaux.

Figure 4.13 – Diagramme de phase d’un microsystème hybride papier-PDMS pour la géométrie de

jonc-tion T.

Aux débits intermédiaires, des gouttes de taille variable sont formées. Suivant des abaques

Q_out

Q_huile = constante, la taille de goutte est fixe. Lorsque le débit de sortie augmente par rapport au débit d’huile, la taille des gouttes augmente.