Table des matières

Table des matières

Introduction ¹

Chapitre I:

La Technique de SPLITT

I-1 Introduction 9 I-2 Cellule de SPLITT 10

I-2.1 Origine 10 I-2.2 Description et fonctionnement 10 I-2.3 Profil de vitesse 11 I-2.4 Position des plans de séparation 12 I-2.5 Fractions massiques 13 I-3 Mécanismes de transport 13 I-3.1 Sédimentation 14 I-3.1.1 Condition limite 14 I-3.1.2 Vitesse de sédimentation 15 I-3.1.3 Diamètre critique 15 I-3.1.4 Temps de transport 16 I-3.2 Diffusion 16 I-3.2.1 Diffusion moléculaire (DM) 16 I-3.2.2 Diffusion hydrodynamique induite par cisaillement (DHIC) 18 I-3.3 Forces de portance hydrodynamiques (FPH) 20

I-3.3.1 Définition et théorie existante 20 I-3.3.2 Dans la cellule de SPLITT 21 I-3.4 Entraînement hydrodynamique (EH) 24 I-3.4.1 Définition et théorie existante 24 I-3.4.2 Dans la cellule de SPLITT 25 I-3.5 Couplage des mécanismes 26 I-4 Sources d’imperfections 26 I-5 Conclusion 27

Chapitre II:

Développement du mini-SPLITT avec marches (STEP-SPLITT)

II-1 Introduction 31 II-2 Miniaturisation 31 II-2.1 Généralités 31 II-2.2 Cellule de SPLITT 32 II-3 Mini-SPLITT avec marches: Step-SPLITT (SS) 32 II-4 Amplification des effets hydrodynamiques 33

II-4.1 Diffusion induite par cisaillement 33 II-4.2 Forces de portance hydrodynamiques 34 II-5 Intérêts économiques 34 II-5.1 Rapidité 34 II-5.2 Quantité de matière 34 II-5.3 Cellule jetable 35

II-6 Modélisation numérique (CFD) 35 II-6.1 Géométries et maillages 36 II-6.2 Comportement de l’écoulement 37 II-6.3 Comportement des espèces 40 II-7 Conclusion 43

Chapitre III:

Montage et procédure expérimentale

III-1 Introduction 47

III-2 Montage expérimental 47 III-2.1 Cellule 47 III-2.2 Echantillons 48 III-2.2.1 Liquide vecteur 49 III-2.2.2 Particules 49 III-2.3 Circuit hydraulique 51 III-2.3.1 Tubes et connections 51 III-2.3.2 Pompes d’injection et d’aspiration 51 III-2.3.3 Vanne d’injection 51 III-2.4 Systèmes de détection et d’acquisition 52 III-2.4.1 Détecteurs UV 52 III-2.4.2 Compteur Coulter 53 III-2.4.3 Microscope holographique 54 III-3 Procédure expérimentale 54 III-3.1 Expérience 54 III-3.1.1 Composition de l’échantillon 54 III-3.1.2 Préparation du système 55 III-3.1.3 Injection 55 III-3.2 Acquisition des données 56 III-3.2.1 Par détection 56 III-3.2.2 Par collecte des fractions 57 III-3.3 Analyse des résultats 57 III-3.3.1 Pics d’élution 57 III-3.3.2 Distributions en taille 59 III-3.3.3 Visualisation 62

III-4 Conclusion 62

Chapitre IV:

Effets hydrodynamiques sur le transport transverse

IV-1 Introduction 65

IV-2 Forces de portance hydrodynamiques 65 IV-2.1 Influence des propriétés de la particule 65 IV-2.1.1 Densité 65 IV-2.1.2 Diamètre 69 IV-2.1.3 Position transverse initiale 70 IV-2.2 Influence des dimensions du canal 71

IV-2.2.1 Epaisseur 71 IV-2.2.2 Largeur 73

IV-2.2.3 Longueur 74 IV-2.3 Influence de l’écoulement 75 IV-2.3.1 Canal placé verticalement 75 V-2.3.2 Canal placé horizontalement 76 IV-2.4 Conclusion 77 IV-3 Diffusion hydrodynamique induite par cisaillement 77

IV-3.1 Distance de collision 78 IV-3.2 Ordre de grandeur du coefficient de diffusion 78

IV-4 Conclusion 79

Chapitre V:

Résultats expérimentaux sur les particules

V-1 Introduction 83

V-2 Mise au point du protocole expérimental 83 V-2.1 Profil de concentration sur l’épaisseur du séparateur 83 V-2.2 Systèmes de détection 84 V-2.3 Aspiration aux sorties 84 V-2.4 Reproductibilité des résultats 85 V-3 Etude du transport transverse en fonction des paramètres expérimentaux 85

V-3.1 Propriétés des particules 86 V-3.2 Concentration de la suspension 86 V-3.3 Ecoulement 87 V-3.4 Positionnement du canal 88 V-3.5 Positionnement de l’entrée a’ 89 V-4 Pertes d’espèces dans le système 89 V-5 Enrichissements et séparations 91 V-5.1 Particules de silice 91 V-5.2 Particules de latex 94 V-5.3 Particules de silice et grains de pollen 95 V-6 Couplage des mécanismes de transport 96 V-7 Expériences réalisées en micropesanteur 98 V-7.1 Principe d’un vol parabolique 98 V-7.2 Re-suspension hydrodynamique 99 V-7.3 Rôle de la sédimentation 101 V-7.4 Rôle des effets hydrodynamiques 101 V-8 Conclusion 102

Chapitre VI:

Visualisation 3D par Holographie Digitale

VI-1 Introduction 105 VI-2 Holographie 106 VI-3 Microscope holographique 106 VI-3.1 Description du montage optique 106 VI-3.2 Technique de reconstruction par holographie digitale 109 VI-3.3 Cohérence spatiale partielle 112 VI-3.3.1 Filtrage passe-bas 113 VI-3.3.2 Réduction des effets de double réflexion 116

VI-4 Expériences 117 VI-4.1 Capacités et limites de l’instrument 117 VI-4.1.1 Profondeur de champ 117 VI-4.1.2 Résolution du microscope 117 VI-4.1.3 Calibrage du grossissement 118 VI-4.1.4 Effet de parallaxe 119 VI-4.1.5 Effet de bords 122 VI-4.1.6 Taille des espèces 123 VI-4.1.7 Différenciation des objets d’un mélange 125 VI-4.1.8 Position des espèces 125 VI-4.1.9 Concentration de la suspension 127 VI-4.1.10 Vitesse des espèces 127 VI-4.2 Etude du comportement de particules micrométriques 139

VI-4.2.1 Le mini-canal 140 VI-4.2.2 Le liquide vecteur 141 VI-4.2.3 Le nuage de particules 142 VI-4.2.4 L’écoulement 151 VI-4.2.5 Le transport transverse 153 VI-5 Conclusion 154

Chapitre VII:

Applications Biologiques

VII-1 Levure de bière et Bacillus subtilis 157 VII-1.1 Introduction 157 VII-1.2 Définitions 157 VII-1.2.1 Levure de bière 157 VII-1.2.2 Bacillus subtilis 157 VII-1.3 Etude du comportement dans la SS 158

VII-1.3.1 Levure de bière 158 VII-1.3.2 Bacillus subtilis 159 VII-1.4 Enrichissement d’un mélange 160 VII-1.5 Visualisation par holographie digitale 161 VII-1.6 Conclusion 162 VII-2 Sang 162 VII-2.1 Introduction 162 VII-2.2 Composition du sang 163 VII-2.2.1 Plasma 164 VII-2.2.2 Globules rouges ou hématies 164 VII-2.2.3 Plaquettes ou thrombocytes 165 VII-2.2.4 Globules blancs ou leucocytes 165 VII-2.2.5 Comportement du sang 166 VII-2.3 Protocole expérimental 166 VII-2.3.1 Centrifugation 166 VII-2.3.2 Cytométrie en flux 167 VII-2.4 Tests de faisabilité 168 VII-2.4.1 Pertes 168 VII-2.4.2 Activation 169 VII-2.4.3 Reproductibilité 170 VII-2.5 Etude du comportement dans le mini-canal 170

VII-2.5.1 Comportement du sang 170 VII-2.5.2 Comportement des plaquettes 175 VII-2.5.3 Conclusion 179 VII-2.6 Essais d’enrichissement du sang en plaquettes 180

VII-2.6.1 Amplification de la sédimentation 180 VII-2.6.2 Réinjection d’un échantillon 181 VII-2.6.3 Injection d’une suspension plus homogène 181 VII-2.6.4 Conclusion 183 VII-2.7 Visualisation par holographie digitale 183 VII-2.7.1 Visualisation des échantillons 183 VII-2.7.2 Visualisation du comportement dans le mini-canal 187 VII-2.7.3 Conclusion 196 VII-3 Vésicules phospholipidiques 196 VII-3.1 Introduction 196 VII-3.2 Méthode de fabrication 196 VII-3.3 Visualisation par holographie digitale et tri 198 VII-3.3.1 Visualisation des échantillons 198 VII-3.3.2 Visualisation dans la SS 203 VII-3.4 Conclusion 209

Chapitre VIII:

Perspectives

VIII-1 Introduction 213 VIII-2 Modélisation numérique 3D (CFD) 213 VIII-2.1 Géométries et maillages 213 VIII-2.2 Comportement de l’écoulement 214 VIII-2.3 Modification géométrique 217 VIII-3 Le nouveau dispositif fluidique 218 VIII-3.1 Pertes et reproductibilité 218 VIII-3.2 Capacité d’enrichissement 218 VIII-4 Conclusion 219

Conclusion ²²¹

Bibliographie ²²⁵

Nomenclature et Abréviations ²³¹