Optimisation de la focalisation hydrodynamique par rétention chromato-

La théorie de la pervaporation microfluidique montre qu’il faut privilégier l’écoulement convec-tif et l’évaporation pour maximiser l’effet de concentration. Dans la configuration papier dé-pourvue d’équipements externes, la longueur du microcanal est le principal paramètre assurant cette fonction. Mais l’adsorption non spécifique d’analytes le long des barrières de cire nuit à la bonne focalisation hydrodynamique.

Une stratégie d’optimisation d’un concentrateur sur papier consiste à permettre une focalisa-tion hydrodynamique proche de la zone de dépôt (pour limiter les pertes) tout en gardant une pompe convective (capillaire et évaporation) forte. Pour cela, l’état de surface du papier est modifié localement pour passer d’une situation de transport chromatographique à une configu-ration de rétention pour l’analyte d’intérêt (figure 3.41).

Figure 3.41 – Distribution de la concentration en analytes dans une configuration de focalisation

hydro-dynamique sur papier avec traitement de surface.

Effets d’un traitement local par le polymère PAH

La modification chimique du papier est réalisée par un dépôt local d’une solution polymère de PAH. Ce polyélectrolyte chargé positivement par une fonction amine interagit avec les fonctions négatives de la fluorescéine (alcool et acide carboxylique). L’affinité ionique de ces deux espèces provoque l’adsorption de fluorescéine sur le polymère, lui-même adsorbé sur les fibres du papier. Pour illustrer cette fonction, un dépôt local de 2μL d’une solution de PAH à 2% est réalisé au milieu d’un microcanal droit papier. Après séchage du polymère sur le papier, une goutte de 10μL de fluorescéine (c = 10−3g/mL) est déposée à l’entrée du microcanal papier. Comme dans le cas de la focalisation spatiale simple, plusieurs ajouts d’eau successifs assurent le transport de la fluorescéine.

Le dépôt initial jaune de fluorescéine ne s’accumule plus à l’extrémité du microcanal mais au tout début du traitement PAH (figure 3.42). Cependant l’eau peut s’écouler dans le papier avec ou sans le traitement PAH. Il s’agit donc bien d’une situation dans laquelle la fluorescéine est d’abord transportée par l’écoulement puis accumulée par adsorption sur le milieu poreux. L’eau est extraite par évaporation et par la pompe capillaire au-delà de la zone de concentration.

98 Chapitre 3. Concentration d’échantillons par des écoulements capillaires confinés

Figure 3.42 – Accumulation de fluorescéine sur le traitement PAH.

Focalisation hydrodynamique dans une géométrie de type buse

Une géométrie en forme de buse est proposée en figure 3.43 pour bénéficier d’une petite zone de focalisation et d’une forte extraction de solvant. Elle consiste en une zone de dépôt de goutte suivie d’un microcanal droit court ouvert. L’ouverture, en forme de restriction, correspond à la limite du traitement PAH. En sortie de microcanal, les barrières en cire délimitent un large espace assurant une forte extraction de solvant par la pompe capillaire.

Figure 3.43 – Géométrie hybride pour la focalisation de fluorescéine.

Dans cette configuration, les pertes sur les bords sont minimisées avec un microcanal papier de longueur 1 cm. La courbe d’amplification est réalisée dans cette géométrie, suivant le même protocole que dans le microcanal droit, et est présentée en figure 3.44. Les trois domaines carac-téristiques de la calibration (limite de détection - régime linéaire - saturation/sur-concentration) sont observés mais déplacés vers les plus basses concentrations. Que ce soit en termes d’intensité

3.3. Exploitation des propriétés du papier pour concentrer des échantillons 99 de signal (flèches pointillées grises) ou de limite de détection (flèches pointillées rouges), le fac-teur d’amplification obtenu est de 1000 malgré un niveau de bruit dû à la cire et au traitement PAH plus important.

Figure 3.44 – Courbe d’amplification de signal dans la géométrie de buse.

De manière similaire, dans la représentation graphique de la concentration mesurée après focalisation hydrodynamique dans une buse en fonction de la concentration initiale, les points expérimentaux sont rassemblés autour de la droite y = 1000x pour le domaine linéaire (fi-gure 3.45).

Figure 3.45 – Mesure de l’effet de concentration par focalisation hydrodynamique dans une géométrie de

100 Chapitre 3. Concentration d’échantillons par des écoulements capillaires confinés

3.4 Ce qu’il faut retenir

Diffusion de la cire L’impression et la diffusion de cire sur le papier permettent la création de motifs hydrophobes. L’imprimante à jet d’encre dépose un format de gouttes de cire toujours identique. Mais la densité de ces gouttes dépend directement de la teinte claire ou foncée choisie pour le motif.

L’alignement des fibres de cellulose le long de la feuille de papier donne une direction préfé-rentielle de diffusion de la cire : plus rapide dans le plan de la feuille que dans l’épaisseur. Pour de faibles densités de gouttes et/ou dans le cas de motifs très fins, la quantité de cire n’est pas suffisante pour créer une barrière hydrophobe dans toute l’épaisseur du papier. Le motif est alors une barrière en surface du papier.

Ecoulements dans le papier Les écoulements dans le papier sont régis par deux principaux phénomènes : l’imbibition capillaire suivant le modèle de Lucas-Washburn et l’étalement de goutte en surface.

L’écoulement de microsphères plus grandes que la taille de pores du papier a mis en évidence l’étalement de goutte en surface. La longueur d’étalement dépend linéairement du volume de la goutte déposée. La contribution de l’étalement en surface peut également être révélée par la mesure de la vitesse moyenne d’écoulement. Dans le cas d’imbibition pure, cette vitesse ne dépend pas du volume de la goutte. Avec étalement en surface, cette vitesse moyenne augmente linéairement avec le volume de la goutte.

L’étalement en surface peut être supprimé au profit de l’imbibition capillaire pure par une barrière hydrophobe en surface. Le milieu poreux sous la barrière rend possible l’imbibition. La géométrie même du microcanal et de sa zone de dépôt de goutte peut favoriser ou inhiber complètement l’étalement de goutte selon l’énergie de déformation nécessaire.

Procédés de concentration En autorisant l’évaporation, le papier devient un dispositif de concentration et de stockage d’échantillons non volatils. Selon la géométrie des barrières de cire, plusieurs configurations ont été étudiées et sont résumées en figure 3.46.

Sans barrière, l’étalement de goutte en surface du papier est responsable d’un écoulement rapide. Cette dispersion de liquide favorise également un séchage rapide. L’étalement en surface ne permet aucun effet de séparation (stérique, chromatographique, bio-chimique) et donc pas d’amplification de signal.

La présence d’une barrière de cire en surface du papier, délimitant une zone de dépôt de goutte supprime l’étalement en surface. L’écoulement par imbibition capillaire est plus lent mais réalise la fonction d’extraction de solvant sur de grandes surfaces. Le séchage est donc rapide. L’absence d’étalement en surface favorise les interactions entre le liquide et les surfaces du milieu poreux. La fonction de séparation par le papier peut donc être exploitée. En revanche, il est difficile de miniaturiser à l’extrême la zone de dépôt de goutte sans risquer des débordements ou des dépôts non spécifiques sur la cire. La notion d’amplification atteint au mieux un facteur ×2 mais l’accumulation de plusieurs dépôts contribue à améliorer ce résultat.

Une barrière de cire dans toute l’épaisseur sous forme de zone de dépôt de goutte ne permet aucun écoulement. Il n’y a donc qu’évaporation du solvant sans autre possibilité de séparation

3.4. Ce qu’il faut retenir 101

Figure 3.46 – Comparaison des différentes configurations de concentrations.

des constituants. L’amplification est la même que dans le cas de la barrière de surface mais l’évaporation y est beaucoup plus lente.

Une focalisation hydrodynamique est réalisée avec des barrières de cire dans toute l’épaisseur sous forme d’un microcanal. L’écoulement et le séchage rapides concentrent l’échantillon dans une petite zone de focalisation. L’amplification peut atteindre des facteurs entre ×10 et ×100. Tous les éléments non retenus par le papier sont concentrés sans distinction. L’exploration de l’épaisseur du papier pour une focalisation transverse n’a pas apporté de gain significatif meilleur qu’un facteur ×2.

Dans une configuration hybride, l’état de surface du papier est traité pour permettre lo-calement la rétention d’éléments transportés. Là encore, la pompe capillaire est pleinement exploitée pour extraire le solvant et sécher rapidement les dépôts. Selon les propriétés d’états de surface, les possibilités de séparations sont plus élevées. L’amplification atteint une valeur record d’un facteur 1000.

CHAPITRE 4

Microsystèmes pour l’élution d’échantillons séchés sur papier

Table des matières

4.1 Conditions expérimentales . . . 105

4.1.1 Fabrication des microsystèmes hybrides . . . 105