Intégration du système fluidique

Pour effectuer le focus hydrodynamique, une configuration microfluidique comprenant une jonction à trois entrées de liquide et une voie de sortie est nécessaire. Cependant, comme il a été mentionné à la section 2.2.1, la géométrie des canaux influence la largeur du focus formé. Différentes cartouches microfluidiques ont été étudiées. Le substrat de la première cartouche est fait de thermoplastique élastomère (TPE) et il renferme une géométrie fluidique bien particulière. La deuxième cartouche est composée de borosilicate et possède un réseau différemment configuré. La présente section explore les propriétés géométriques de ces cartouches et leur rattachement aux pompes pour la régulation des débits.

3.1.1 Propriétés des cartouches en thermoplastique élastomère

Une collaboration avec l'Institut des matériaux industriels (IMI) a permis d'étudier le premier modèle de cartouche microfluidique [53]. Celui-ci est réalisé par micromoulage d'un thermoplastique élastomère. L'avantage de cette technique est qu'elle est peu onéreuse et rapide. Ainsi, plusieurs geometries fluidiques peuvent être testées facilement. Deux geometries issues du même concept ont été proposées par l'IMI. La principale différence est l'angle d'attaque de la gaine, tel qu'illustré sur la Figure 3.1.

O Gaine b) _{O Gaine}

Analyte

O Sortie ô Sortie

Figure 3.1 : Schéma des configurations microfluidiques des cartouches en TPE; a) angle de jonction à 30°; b) angle de jonction à 60°

Le liquide de la gaine est d'abord divisé en deux parties lorsqu'il rencontre la jonction en « T ». Ces deux parties seront recombinées en aval, dans le canal de sortie, avec le flot analyte qui aura été introduit par l'entrée située au centre de la cartouche. Les canaux microfluidiques ont une profondeur uniforme de 37 (am mais une largeur qui varie d'un canal à l'autre. Les canaux à l'entrée de la gaine et celui de l'analyte ont 50 um de largeur jusqu'à la jonction au canal de sortie, qui mesure quant à lui 100 um de large. La surface de sa tranche (100 x 37 um) est donc inférieure à la somme des tranches des canaux qui s'y jettent (3 canaux de 50 x 37 um). Ceci permet la création d'un focus hydrodynamique efficace. En a) sur la Figure 3.1, l'angle de jonction de la gaine est de 30° alors qu'il est de 60° en b). Les deux geometries possèdent pratiquement le même volume total, soit un peu plus de 0,1 uL.

Les canaux sont en fait de minces encavures à la surface d'une plaque de TPE d'environ 2 mm d'épaisseur. Le TPE, qui est un polymère translucide, a une affinité marquée pour le verre. Donc, en appuyant la surface où les canaux sont gravés contre une lame ou une lamelle de microscope, on crée le « plancher » du canal. Étant donné que les canaux se trouvent à l'interface TPE-verre, des trous d'accès aux canaux de 1 mm de diamètre sont percés

manuellement avec des emporte-pièce dans le TPE. On accède donc aux canaux par la surface du TPE qui n'est pas en contact avec le verre.

Pour nettoyer efficacement les canaux, il suffit de décoller le TPE du verre et de le nettoyer avec de l'eau, du methanol ou de l'éthanol. Pour s'assurer que les canaux sont bien dégagés, il est souhaitable de tremper la cartouche dans le bain ultra-sonique quelques minutes. La propreté des surfaces de verre et de TPE est critique pour assurer une adhésion étanche et uniforme. Pour rendre le TPE plus transparent, il est possible de le chauffer à ~30°C pendant 20 à 30 minutes. Toutefois, en excédant la température de 40°C, on risque de déformer les canaux.

Afin de gérer l'écoulement fluidique dans les canaux, des pompes à seringue ont dû être interfacées à l'assemblage du TPE et de la lamelle de microscope. Une monture de jonction compatible avec des connecteurs de type « Later Lock » (LL) retrouvés à l'embout des seringues a été conçue. Cette monture comprend notamment une plaque d'aluminium, dans laquelle sont percés deux trous filetés aux extrémités et dont une partie plus mince sert à accueillir la lamelle de microscope. Dans la partie la plus mince, l'duminium est percé pour permettre une zone de dégagement par laquelle les canaux seront observés au microscope. Une fois la lamelle bien assise dans la plaque de métal, le TPE y est déposé avec les entrées de liquide accessibles. La deuxième pièce de la monture, une plaque d'acrylique dans laquelle des tunnels ont été percés en forme de « L » est installée vis-à-vis des trous d'accès du TPE. À l'interface acrylique-TPE, des anneaux de caoutchouc cèlent la connexion. Sur le côté de la plaque d'acrylique, où débouchent les tunnels, des ouvertures filetées sont connectées à des seringues via des tubes de polyvinyle (PVC) dont le diamètre interne est de 60 millièmes de pouce (0,060 ") et qui sont munis d'adaptateurs LL (Qosina, 33000). La plaque d'acrylique est ensuite vissée à la plaque d'aluminium aux extrémités pour maintenir le tout bien en place et pour appliquer une pression à l'interface verre-TPE. La Figure 3.2 présente une photographie de la monture. En a) on note la superposition des matériaux alors qu'en b) on visualise l'observation des canaux microfluidiques sous un microscope (Olympus, BX51). Les plans pour la réalisation de la monture de connexion sont présentés en annexe (1).

a) b)

Figure 3.2 : Monture de connexion pour les cartouches microfluidiques en thermoplastique élastomère; a) superposition des différents éléments; b) observation des canaux sous un

microscope du côté de la lamelle

Les tubes en PVC sont reliés à des seringues installées sur des pompes. Dans la cartouche, la vitesse linéaire du liquide ne sera pas constante et variera en fonction de l'endroit où se trouve le liquide. En effet, le canal de sortie est plus large que tous les autres canaux. Un tableau présentant la vitesse linéaire dans les canaux en fonction des débits appliqués est montré en annexe (2 et 3).

3.1.2 Propriétés des cartouches en borosilicate

La deuxième configuration microfluidique étudiée est réalisée dans un substrat de verre en borosilicate. La compagnie Micronit, située au Pays-Bas, fabrique des cartouches spécialement conçues pour l'interaction de fluides qui sont munies d'intersection en croix à 90° (Micronit, FC-X3550CH.3). La Figure 3.3 montre un schéma de cette configuration ainsi que le cadre de polymère qui lui permet de s'insérer dans la monture de connexion. Par la photolithographie et par gravure chimique, des canaux sont gravés dans une lame de microscope. Contrairement aux canaux des cartouches en TPE, le profil des canaux des cartouches en verre n'est donc pas parfaitement rectangulaire et présente un léger rayon de courbure dans les coins. Les canaux sont ensuite scellés par une lamelle de microscope d'une épaisseur de 145 um liée chimiquement au verre de la lame. Cette surface mince permet d'utiliser un objectif de microscope à fort grossissement avec une distance de travail restreinte. Les trous d'accès aux canaux sont percés de l'autre côté, au travers de la lame de microscope, à l'aide d'un puissant

jet de sable. Les canaux de cette cartouche ont tous la même dimension, soit 50 um de large et 20 um de haut. L'intersection se trouve à 5 mm du début de chaque branche et la sortie se trouve 35 mm après l'intersection. Cette cartouche possède un volume interne total de 50 nL et une table de vitesse linéaire du liquide selon le débit est disponible en annexe (4). Ce dispositif est plus onéreux à produire, mais le verre présente des avantages aux niveaux spectroscopique et mécanique par rapport au TPE.

Figure 3.3 : Cartouche microfluidique en borosilicate fabriquée par Micronit

Pour être en mesure de gérer les débits à l'intérieur de cette cartouche, une monture de connexion compatible est commercialisée par le fournisseur (Micronit, Fluidic Connect 4515). Ce montage est en fait un tiroir d'acier inoxydable dans lequel se glisse la cartouche, tel qu'illustré en a) sur la Figure 3.4. Des dégagements sont percés à certains endroits pour permettre à l'optique de s'approcher des canaux. De plus, des trous filetés permettent de fixer des tubes de raccord aux trous d'accès à l'aide de noix et de férules appropriées selon le tube employé.

a)

s

_l

Figure 3.4 : Stratégies de connexion pour les cartouches en borosilicate; a) monture en acier inoxydable; b) férule pour les tubes de Tefzel; c) férule pour les capillaires de silice fondue

Dans le cas des cartouches de borosilicate, deux types de tubes de raccordement aux pompes ont été testés. Les noix et les férules d'arrimage sont propres à chacun des tubes utilisés. Sur la Figure 3.4 b), la connexion à l'aide de tubes de Tefzel est présentée. Le Tefzel est un polymère perfluoré peu poreux dont la compatibilité chimique est étendue à plusieurs solvants et acides. Sa capacité à soutenir de fortes pressions, sa stabilité mécanique ainsi que sa perméabilité aux gaz en font un matériau tout indiqué pour l'application en microfluidique. Les diamètres externe et interne du tube employé sont respectivement d'un seizième de pouce (0,0625 ") et d'un centième de pouce (0,01 " ou 250 um) (IDEX, 1529). La férule appropriée pour ce type de tube possède un fond plat et elle est retenue fermement au Tefzel à l'aide d'un anneau d'acier (IDEX, M-650 et M-660). La férule se dépose par-dessus les trous d'accès des canaux et la pression de la noix rend la connexion étanche. Une attention particulière doit être portée afin de visser la noix seulement lorsque la férule est parfaitement alignée avec le trou d'accès. Sinon, le liquide ne pourra s'écouler normalement dans les canaux.

En c) sur la Figure 3.4, il est possible d'observer le type de connexion utilisé pour arrimer les tubes en silice fondue. La silice fondue est un matériau qui présente aussi d'excellentes propriétés mécaniques et une forte résistance à la déformation, et ce même à haute température. Sa compatibilité chimique est par ailleurs très vaste. Même si elle est plus cassante que le Tefzel, la silice fondue peut par contre être mise en forme pour obtenir de plus petits diamètres. Cet avantage permet l'insertion directe de la férule à l'intérieur des trous d'accès à la microfluidique. Le tube employé dans le montage expérimental possède un diamètre externe de 375 um et interne de 150 um (IDEX, 1572). La férule fournie pour ce type de tube est un cône de caoutchouc malléable qui épouse la forme du trou percé au jet de sable dans la lame de microscope (IDEX, F-123Hx et N-123-03x). Une noix appropriée vient appliquer la pression nécessaire pour sceller la jonction.

3.1.3 Valve, pompes et seringues

Une fois la microfluidique connectée à l'aide des adaptateurs adéquats, il faut être en mesure de gérer le débit des liquides s'écoulant dans la cartouche. Pour ce faire, des pompes à seringue sont utilisées (New Era, NE-300). Le débit de la gaine doit être géré indépendamment du débit analyte afin d'obtenir tone gamme de ratios de pression et de largeurs de focus. Dans le cas des

cartouches en TPE, l'entrée de la gaine est reliée à une seule pompe car le flot de liquide est divisé en deux parts égales à la jonction en « T ». Par conséquent, la force de la gaine au focus hydrodynamique représentera en fait la moitié du débit fixé par la pompe à seringue. Cette entrée commune pour les deux côté de la gaine est quelque peu contraignante car la limite de pression est rapidement atteinte dans le canal en amont de la jonction en « T », qui n'est pas plus large que les autres canaux. Le canal analyte est quant à lui relié à une autre pompe à seringue. Dans le cas des cartouches en borosilicate, deux pompes sont requises pour gérer simultanément le débit des deux côtés de la gaine. Une seule pompe munie d'un adaptateur en « Y » peut aussi être utilisée. Cependant, la présence d'une bulle d'air dans l'une ou l'autre des voies peut affecter grandement la symétrie du focus. Il a donc été convenu d'employer deux pompes indépendantes pour la gaine, tel qu'illustré sur la Figure 3.5, et une troisième pompe pour le débit de l'analyte.

Pompe analyte

Valve d'injection

Rejet

Cartouche microfluidique

Figure 3.5 : Schéma d'intégration des composantes du système fluidique

Il est important d'être en mesure d'introduire des échantillons dans le réseau sans avoir à déconnecter les seringues des pompes. En effet, en débranchant les seringues, on déstabilise le

focus hydrodynamique et l'accumulation d'air dans toutes les pièces fluidiques —même en petite quantité- devient un problème majeur. La compressibilité de l'air empêche l'écoulement régulier des liquides, qui sont eux incompressibles. L'ajout d'une valve d'injection de chromatographic liquide à haute performance sur le circuit de l'analyte permet d'injecter une quantité connue et répétable d'échantillon dans le réseau microfluidique. La valve choisie comprend six ports, un dispositif d'injection manuelle et une boucle en acier inoxydable de 5 uL (Rheodyne, 7125 et 7755-020). Il est intéressant de pouvoir injecter seulement une petite quantité d'échantillon, surtout quand celui-ci est dispendieux ou difficile à obtenir, comme dans le cas d'échantillons biologiques ou d'ADN marqué. Lorsque l'utilisateur désire réaliser une analyse sur un plus gros volume, la boucle peut tout simplement être changée. Pour effectuer une analyse en mode continu, la seringue sur la pompe analyte peut être remplie d'échantillon plutôt que d'eau. La valve d'injection est alors positionnée de sorte que le liquide puisse rejoindre les canaux microfluidiques. Pour établir une large gamme de ratio de débits, il est possible d'obtenir des débits de l'ordre du uL/h lorsque le diamètre interne du baril de la seringue est très petit. Les seringues employées sont faites de verre. Le modèle utilisé peut contenir jusqu'à 2,5 mL et possède un diamètre interne de 7,284 mm (S.G.E., 21965-U). Au cours de ce travail, il a été observé que les seringues de verre offraient des avantages significatifs par rapport à celles en plastique. En effet, elles permettent de maintenir le débit constant en évitant les déformations mécaniques que les seringues de plastique à usage unique sont susceptibles de subir à haute pression. Par ailleurs, comme mentionné précédemment, la propreté en microfluidique est essentielle non seulement pour éviter la fluorescence non- spécifique des impuretés, mais aussi pour lirniter le blocage des canaux. Ainsi, tous les liquides introduits dans les seringues des pompes sont préalablement filtrés sur des filtres de nylon Millipore dont la porosité est de 0,45 um.