DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

L'invention concerne un dispositif destiné à réaliser la séparation diélectrophorétique d'un fluide, et notamment d'un liquide, afin notamment de permettre l'isolation ou le recueil de particules au sens large, contenues dans un tel fluide.

ETAT ANTÉRIEUR DE LA TECHNIQUE

On connaît à ce jour différentes technologiques, destinées à permettre la séparation de mélanges de substances physiques, et ce, à des fins variées. Ces technologies ont en outre évoluées, permettant ainsi la manipulation d'objets de très petites dimensions, et imposant de fait, l'absence de tout contact entre lesdites particules et les moyens permettant leur séparation.

Les objets dont il est question dans la présente invention, appartiennent à différents domaines techniques. Ainsi, en biologie, ces particules sont constituées, de manière non limitative, de cellules biologiques, comme des bactéries (quelques dizaines de micromètres) et/ou des biomolécules (ADN, enzymes, protéines, liposomes...), dont les tailles peuvent descendre à quelques dizaines de nanomètres, voire même quelques nanomètres.

En chimie, ces objets peuvent être constitués de molécules, ou d'agrégats de molécules (micelles).

De manière générale, ces objets peuvent être constitués de particules solides en milieu liquide (suspension), des colloïdes, voire encore des aérosols.

Dans la suite de la description, ces différents types d'objet seront dénommés selon l'expression générique « particules ».

De nombreuses applications technologiques et industrielles visent très précisément l'isolation pour analyse, tri, décompte, etc.... de ces particules, susceptibles de se déplacer dans un fluide, notamment dans un liquide.

A titre d'exemple, on peut citer le domaine de la bio sécurité, des contrôles sanitaires, des contrôles qualité agroalimentaires, la recherche de nouveaux médicaments. On peut également mentionner les applications mettant en œuvre les micro-capsules et les micro-sphères (peintures, cosmétiques, domaine alimentaire), les aérosols (pollution atmo sphérique) , etc ...

Parmi les différentes technologies de déplacement d'une ou de plusieurs particules au sein d'un fluide, on peut citer : o la convection : le principe repose sur l'entraînement des particules par le fluide lui-même, et impose donc la mise en déplacement de celui-ci. Le contrôle du mouvement des particules impose le contrôle du mouvement du fluide ; o la mise en œuvre des propriétés physiques des particules, et notamment : les propriétés magnétiques : magnétophorèse. L'application d'un champ magnétique permet alors d'assurer le contrôle de leur déplacement ; - les propriétés électriques :

* électrophorèse : l'application d'un champ électrique E sur une particule chargée induit la genèse d'une force dite de Coulomb. La particule chargée électriquement se déplace parallèlement au champ électrique dans une direction dépendant du signe de sa charge électrique. * diélectrophorèse : cette technologie met en œuvre un gradient de champ électrique, qui induit une action sur toute matière présentant des propriétés diélectriques, chargée ou non. Un tel gradient de champ électrique suppose donc que celui-ci ne soit pas uniforme. Les particules polarisées sous l'effet du champ électrique se déplacent soit vers les zones où le champ électrique est le plus intense, et on parle alors de diélectrophorèse positive, soit vers les zones où le champ électrique est le plus faible, et on parle alors de diélectrophorèse négative, selon que les particules sont plus ou moins polarisables par rapport au fluide dans lequel elles sont immergées.

La mise en œuvre du phénomène de diélectrophorèse dans le cadre de la séparation des matériaux, a été décrite, par exemple dans le document US- A- 3 162 592. Ce phénomène de diélectrophorèse présente un certain nombre d'avantages, justifiant son utilisation dans le cadre de la séparation de matériaux.

Tout d'abord, il permet de manipuler de la matière neutre, c'est à dire dont la charge électrique résiduelle est nulle, ou voisine de zéro.

En outre, il permet de travailler avec des champs électriques alternatifs. En effet, le champ électrique appliqué étant non uniforme, la polarisation s'inverse avec le sens du champ, mais la force diélectrophorétique reste orientée dans le même sens.

En d'autres termes, les particules soumises au gradient de champ électrique ne « voient » pas le changement de signe du champ électrique appliqué. Ce faisant, il est possible de déplacer une particule polarisable par diélectrophorèse avec un signal alternatif.

Par voie de conséquence, les inconvénients liés à Félectrophorèse sont alors inhibés. En effet, il est rappelé qu'en électrophorèse, l'inversion du champ électrique entraîne l'inversion de la force de Coulomb appliquée, de sorte qu'une particule chargée va osciller autour d'une position d'équilibre, et ne sera globalement pas déplacée.

En outre, la mise en œuvre du champ électrique alternatif permet de réduire, voire de supprimer les réactions électrochimiques parasites, susceptibles de se produire notamment au niveau des électrodes dans les systèmes électriques en solution liquide ionique. On cherche à lutter contre ces phénomènes, dans la mesure où ils induisent en général des dégagements gazeux aux électrodes, et modifient en outre localement les caractéristiques chimiques des milieux.

Depuis la description de ce phénomène de diélectrophorèse, la miniaturisation des systèmes a permis d'obtenir des champs électriques suffisamment intenses pour envisager la mise en œuvre de ce phénomène sur des particules submicroniques, voire de taille nanométrique. En effet, on a pu démontrer que la force diélectrophorétique est proportionnelle au volume de la particule. De fait, plus la particule est petite, plus il faut augmenter l'intensité du champ électrique pour la déplacer par diélectrophorèse.

Traditionnellement, les électrodes générant un gradient de champ électrique sont déposées sur une surface plane (verre, silicium passive, etc..) conduisant donc à des systèmes à configuration planaire. Dans de tels systèmes, le fluide et les particules qu'il contient, sont en contact avec le plan supérieur des électrodes.

Les types les plus répandus sont les électrodes interdigitées, les électrodes crénelées, et les quadrupôles (voir figures la, Ib, Ic, respectivement). On a en outre représenté en figure 2, une section transversale d'une configuration planaire à électrodes interdigitées.

Les configurations planaires présentent cependant un certain nombre d'inconvénients majeurs, qui vont être décrits ci-après.

Tout d'abord, dans une telle configuration planaire, la force diélectrophorétique F _DEP présente une faible portée dans la direction perpendiculaire au plan des électrodes, c'est à dire dans le volume du fluide contenant les particules (axe oz sur les figures). Ainsi, dans le cas des systèmes interdigités en régime de diélectrophorèse positive, la force est maximale au contact de l'arête de l'électrode.

En revanche, son intensité décroît exponentiellement lorsque l'on s'éloigne de l'électrode dans la direction oz, c'est à dire dans le plan perpendiculaire au plan des électrodes, selon la relation :

dans laquelle d est la distance entre le centre de l'espace séparant deux électrodes adjacentes et le centre de l'électrode, V ₀ est l'amplitude crête de la tension appliquée à l'électrode, et z désigne la distance selon l'axe oz séparant la mesure de la force par rapport au plan des électrodes.

On observe que l'arête de l'électrode crée un effet de coin, au niveau duquel le champ électrique est maximum. On démontre en outre que la portée de la force diélectrophorétique selon oz est efficace dans une zone de rayon égale à environ 40% du paramètre d, c'est à dire de la distance entre le centre de l'intervalle inter-électrode et le centre de l'électrode considérée.

Or, la collecte des particules sous l'effet des forces diélectrophorétiques est efficace en volume, si la dimension h du fluide située au-dessus des électrodes est de l'ordre de grandeur du motif d des électrodes. En d'autres termes, cette efficacité s'avère des plus limitée, ou impose de travailler avec des volumes très limités du fluide à traiter.

Pour pallier cet inconvénient relativement rédhibitoire, dès lors que l'on souhaite traiter des hauteurs de fluide importantes, il pourrait être envisagé d'augmenter fortement la surface des électrodes. Cependant, cette solution défavorise complètement la détection qui devient alors d'autant plus difficile à mettre en œuvre, et d'autant plus lente que la surface du capteur est grande.

Un autre des inconvénients majeurs des systèmes à configuration planaire réside dans le fait que la nature électrique du couple particules-fluide peut rendre la collecte inefficace du fait d'un régime de diélectrophorèse négative.

On peut ainsi observer dans une telle configuration une annulation totale de la collecte desdites particules par les électrodes. En effet, lorsque les électrodes sont alimentées par un signal électrique, alternatif ou non, deux types de régime de diélectrophorèse peuvent avoir lieu : la diélectrophorèse dite positive, dans laquelle les forces diélectrophorétiques sont orientées en direction des zones à forte intensité de champ électrique, et donc en direction des électrodes, et la diélectrophorèse négative, dans laquelle les forces diélectrophorétique sont orientées en direction des zones à faible valeur de champ électrique, et donc dans une direction opposée auxdites électrodes.

Or, le sens de la force diélectrophorétique développée par les électrodes planaires dépend d'une part, de la fréquence du signal électrique appliqué aux électrodes, mais également de paramètres indépendants de l'alimentation électrique proprement dite, à savoir les propriétés électriques du couple particules/fluide. On démontre notamment que l'influence de la valeur de la conductivité électrique du fluide porteur des particules sur le régime de diélectrophorèse est particulièrement significative.

Ainsi, un composant conçu pour collecter des particules par attraction diélectrophorétique se retrouve inefficace si les conditions électriques, et notamment la nature du couple particules - fluide rend le régime de diélectrophorèse toujours négatif. Par exemple, un fluide trop conducteur peut rendre un composant à configuration planaire incapable de la moindre collecte sur ses électrodes. Or, ce genre de problème est communément rencontré en biologie, où les liquides sont généralement des solutions ioniques aqueuses, donc fortement conductrices.

Enfin, dans les systèmes à configuration planaire, les forces diélectrophorétiques peuvent être inhibées par des forces concurrentes issues également du champ électrique appliqué, et notamment de Félectro-convection. Par électro-convection, on entend tous les phénomènes de mise en mouvement du fluide (convection du fait de l'existence d'un champ électrique qui lui est appliqué) et notamment la mise en mouvement par électro¬ osmose (présence de charges sur les électrodes) et la mise en mouvement par échauffement Joule (présence d'un courant électrique dans le fluide).

Le fluide en mouvement entraîne les particules du fait de leur petite taille : ce mouvement de convection se superpose alors au mouvement diélectrophorétique, qui peut parfois être complètement inhibé si les zones d'accumulation associées à chaque phénomène ne sont pas les mêmes.

L'électro-convection constitue alors un phénomène parasite, qui se retrouve notamment dans les systèmes à configuration planaire, où l'entraînement par électro- convection va en général à rencontre des forces diélectrophorétiques : par exemple dans les systèmes à électrodes interdigitées, l'électro-convection induit la création de zones d'accumulation situées au milieu des électrodes et/ou au centre de l'espace inter¬ électrodes, qui ne sont pas localisées au même endroit que celles dues à la diélectrophorèse, constituées, comme déjà dit, par l'arête desdites électrodes.

Ce phénomène d'électro-convection est un phénomène qui dépend de la fréquence d'alimentation électrique des électrodes, et qui s'avère d'autant plus important que les particules sont petites.

En général, ce phénomène diminue quand la fréquence augmente, alors que la diélectrophorèse positive nécessite de ne pas travailler au-dessus de la fréquence de coupure, correspondant à la fréquence marquant le changement de régime de diélectrophorèse positive en diélectrophorèse négative.

En d'autres termes, il n'est donc pas toujours possible de s'affranchir de l'électro- convection en jouant sur la fréquence.

II a été proposé d'autres types de configurations, que la configuration planaire décrite précédemment. Ainsi, dans le document US 2004/0011650, on a proposé un système pour confiner des molécules d'ADN en mettant en œuvre un dispositif permettant notamment d'induire des gradients de champ électrique, et donc des forces diélectrophorétiques dans des orifices réalisés au sein d'une membrane isolante, en l'espèce du quartz, située entre deux électrodes. Les orifices contraignent le champ électrique à resserrer ses lignes de champ, créant ainsi le gradient recherché. Les orifices constituent donc les zones de collecte. Cependant, il peut être observé que les forces diélectrophorétiques demeurent localisées au voisinage des orifices de la membrane, et ne permet donc pas d'obtenir un champ de force réparti dans tout le volume du fluide. De plus, ce système ne permet pas la collecte de particules en régime de diélectrophorèse négative.

RESUME DE L'INVENTION

L'objet de la présente invention a donc pour objectif la séparation des particules d'un fluide par diélectrophorèse, s'affranchissant de l'ensemble de ces différents inconvénients.

Fondamentalement, elle vise à substituer une configuration planaire du type de celles décrites précédemment, qu'il s'agisse d'une configuration d'interdigitation, crénelée ou quadripôle, par la mise en œuvre d'une structure globalement pyramidale, dans laquelle lesdites électrodes générant le phénomène de diélectrophorèse ne constituent plus la zone de collecte des particules.

Le dispositif conforme à l'invention pour la séparation diélectrophorétique comprend deux types d'électrodes, chacun des deux types d'électrodes étant porté à un potentiel différent, de telle sorte à générer un champ électrique au sein dudit fluide, les deux types d'électrode étant positionnés au sein d'une enceinte ou canalisation recevant le fluide soumis à la séparation diélectrophorétique, ladite enceinte étant elle-même munie d'une surface de collecte des particules.

Ce dispositif se caractérise : en ce que chacun des deux types d'électrodes est immergé dans le fluide au sein de l'enceinte ou canalisation et sont situés dans des plans différents de celui de la surface de collecte ; en ce que les deux types d'électrodes sont alimentés en courant électrique en opposition de phases ; et en ce que le potentiel de chacun des deux types d'électrodes présente un gradient fonction de la distance selon la direction perpendiculaire à la surface de collecte.

En d'autres termes, l'invention consiste : à positionner les deux groupes ou types d'électrodes selon la direction oz, les deux groupes étant alimentés en opposition de phases ; à rendre chacun des groupes d'électrodes capable de délivrer un potentiel électrique variable selon cette direction oz ; - et enfin, à imposer un profil de potentiel tel que la force diélectrophorétique résultante soit toujours orientée selon la direction oz.

En d'autres termes, et comme déjà dit, les électrodes perdent leur rôle de surface de collecte et n'ont plus qu'un rôle limitativement électrique, à savoir délivrer un champ électrique non uniforme, en vue de produire des forces diélectrophorétiques efficaces pour la collecte et dirigées vers la surface de collecte, et donc vers le fond de l'enceinte ou de la canalisation.

Avantageusement, les deux types d'électrodes sont alimentés en courant électrique de façon alternative.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

La manière dont l'invention peut être réalisée, et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées.

Les figures la, Ib et Ic sont des représentations schématiques vue du dessus de trois configurations planaires d'électrodes selon l'art antérieur, respectivement interdigitées, crénelées, et en quadripôle.

La figure 2 est une représentation schématique en section transversale des électrodes de la figure la.

Les figures 3a et 3b illustrent schématiquement le principe général sous-tendant l'invention.

La figure 4 est un graphe illustrant la variation relative de la force diélectrophorètique en fonction de la distance de sa mesure par rapport à la surface de collecte, respectivement pour une configuration interdigitée, pour une configuration à électrodes biseautées, et pour une configuration à électrodes empilées.

La figure 5 est une représentation schématique illustrant l'invention selon la configuration à électrodes biseautées de l'invention.

La figure 6 est une représentation schématique illustrant l'invention selon la configuration à électrodes inclinées de l'invention.

Les figures 7a, 7b et 7c illustrent la possibilité de collecter sur une surface définie selon le régime de diélectrophorèse mis en œuvre, respectivement en mode positif et en mode négatif au moyen de la configuration à électrodes biseautées de l'invention.

La figure 8 est une représentation schématique illustrant l'invention selon la configuration à électrodes isolées de l'invention.

La figure 9 est une représentation schématique illustrant l'invention selon la configuration à électrodes empilées de l'invention.

Les figures 10a à 10d illustrent le principe mis en œuvre pour le fonctionnement de la configuration précédente, avec variation spatio-temporelle du potentiel V. Les figures lia, 11b et lie illustrent schématiquement différents circuits électriques susceptibles de permettre le fonctionnement des électrodes en configuration empilée. Les figures 12a et 12b illustrent une configuration de l'invention en mode damier, respectivement en section transversale et vue du dessus.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

L'un des objectifs visés par l'invention consiste à obtenir d'une part, une force diélectrophorétique parallèle à l'axe oz, c'est à dire perpendiculaire au plan de collecte, et d'autre part, répartie de façon contrôlée selon oz. Par exemple, l'intensité de la force di-électrophorétique peut être d'intensité sensiblement constante selon l'axe oz.

Pour ce faire, et compte-tenu des phénomènes connus de diélectrophorèse, il importe de créer un module du champ électrique VE ² orienté selon l'axe oz, ce qui implique que le champ électrique E doit être perpendiculaire aux deux groupes d'électrodes.

Afin d'aboutir à ce résultat, on met en œuvre un profil variable du potentiel appliqué à chacun des groupes d'électrodes, selon différentes configurations possibles. On a schématisé en relation avec les figures 3a et 3b le principe général de fonctionnement du dispositif de l'invention.

En premier lieu, il convient de souligner que le positionnement de chacun des deux groupes d'électrodes selon l'axe oz, c'est à dire selon la direction perpendiculaire au plan de collecte, ne limite plus la portée de la force diélectrophorétique selon cette direction.

En effet, la répartition de cette force selon l'axe oz est la conséquence directe de la hauteur h des deux groupes d'électrodes selon cette direction oz, outre de la forme du potentiel électrique V(z), imposé sur ces deux groupes.

On a représenté en relation avec la figure 4 la variation de la force diélectrophorétique selon l'axe oz pour trois configurations différentes : - les électrodes interdigitées de l'art antérieur ; une configuration de type pyramidal avec des électrodes empilées ; une configuration de type pyramidal avec des électrodes biseautées.

Les deux configurations de type pyramidal précitées, conformes à l'invention, seront décrites ci-après plus en détail.

Ainsi que mentionné en relation avec la description des inconvénients liés aux configurations de l'art antérieur, on observe une diminution très rapide de la portée effective de la force diélectrophorétique selon l'axe oz dans le cadre des électrodes interdigitées.

En revanche, on peut observer que cette décroissance pour une configuration pyramidale à électrodes biseautées conforme à l'invention est beaucoup plus lente. En outre, dans le cadre de la configuration à électrodes empilées, l'intensité de la force croît de manière sensiblement linéaire, dès lors que l'on s'éloigne de la surface de collecte (c'est à dire pour z = 0). De façon plus générale, en maîtrisant le profil du potentiel appliqué, l'intensité de la force pourra être contrôlée.

L'inconvénient lié aux configurations planaires, et notamment interdigitées, constitué par la décroissance exponentielle de l'intensité de la force diélectrophorétique est donc supprimée et, à tout le moins largement amoindri.

A titre surabondant, il convient de souligner que dans la mesure où, selon l'invention, les électrodes ne constituent plus une surface de collecte des particules à séparer, les dimensions desdites électrodes ne constituent donc plus un facteur limitant à l'étape de lecture, leur taille pouvant être adaptée au volume de fluide à traiter.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif peut fonctionner aussi bien en diélectrophorèse positive qu'en diélectrophorèse négative, permettant ainsi d'augmenter significativement les domaines d'application de la présente invention. En effet, il est possible d'imposer un profil non constant du potentiel V(z), sur chacun des deux groupes d'électrodes A et B, conférant ainsi un degré de liberté supplémentaire pour le pilotage du phénomène de diélectrophorèse.

Ainsi, selon la forme du potentiel V(z), l'orientation + oz ou - oz des forces diélectrophorétiques est maîtrisée, et corollairement, l'efficacité du dispositif de l'invention n'est plus dépendante du type de régime de diélectrophorèse. Il convient de rappeler à cet égard que les configurations planaires précitées nécessitent impérativement un régime de diélectrophorèse positive, pour réaliser la collecte sur une surface solide.

Ainsi, dans un premier cas, par exemple en régime de diélectrophorèse positive et pour une surface de collecte fixée, le potentiel V(z) va être décroissant avec oz, et applicable à un ensemble particules-fluide déterminé et selon une fréquence de signal des électrodes également déterminée.

En revanche, avec un autre ensemble particules-fluide, ou selon une autre fréquence de signal, on peut aboutir à un régime de diélectrophorèse négative, cette fois en faisant croître le potentiel V(z) intervenant au niveau de chacun des deux groupes d'électrodes avec oz, afin d'obtenir la collecte sur la même surface que précédemment.

En d'autres termes, le signal V(z) est inversé par rapport à la configuration précédente, afin de maintenir une force diélectrophorétique toujours orientée en direction de la surface de collecte, notamment si le fluide devient très conducteur, ou si l'on veut travailler avec une autre fréquence.

Structurellement, dans le cadre de la configuration des électrodes selon l'invention, celles-ci ne constituent plus une quelconque surface de collecte. Ce faisant, cette configuration n'est plus limitée par Félectro-convection, qui devient même un phénomène favorable à la diélectrophorèse, dans la mesure où il n'empêche plus la collecte des particules par diélectrophorèse, mais au contraire la favorise. La convection contribue en effet à brasser le fluide au-dessus de la surface de capture ou de collecte, augmentant ainsi la probabilité de passage des particules qu'il contient sur cette surface de collecte.

Parmi les autres avantages inhérents à la configuration particulière des deux groupes d'électrodes de l'invention, on peut également souligner celui inhérent directement à la séparation des fonctions de collecte et des fonctions électriques, puisqu'il devient possible d'envisager l'utilisation de protocoles de lecture maîtrisés sur les surfaces non électriques. Notamment, les techniques d'immobilisation de molécules sont bien maîtrisées sur le verre, la silice, le silicium, ou sur les matières plastiques, alors que ce n'est pas le cas sur les surfaces métalliques conductrices.

Selon l'invention, le dispositif pyramidal peut adopter trois configurations possibles qui correspondent à trois types d'électrodes composant les groupes : - les électrodes empilées ; les électrodes biseautées ; et les électrodes isolées.

Ces trois configurations permettent d'éliminer les inconvénients liés aux systèmes interdigités, et plus généralement aux systèmes à configuration planaire. Bien que les performances de ces trois types d'électrodes ne soient pas égales, les avantages liés à la structure pyramidale qu'elles mettent en œuvre, et mentionnés précédemment sont conservés. Le choix du type d'électrodes dans le dispositif de séparation dépend des objectifs de performance à atteindre, ainsi que des techniques de fabrication disponibles.

Il faut mentionner que les techniques de microélectronique déjà utilisées pour réaliser les systèmes planaires peuvent être conservées pour la réalisation de ces électrodes. Elles peuvent être assemblées dans un macrosystème qui contient la surface de collecte et qui doit assurer toutes les autres fonctions non électriques (étanchéité, alimentation fluidique, connexion à un système de lecture, etc..) associées au composant selon son type d'utilisation (capture, séparation, tri, etc.). Elles peuvent aussi être réalisées dans un micro système.

CONFIGURATION A ELECTRODES BISEAUTEES

Afin de délivrer une force diélectrophorétique parallèle à l'axe oz et la plus uniforme possible, il a été montré précédemment qu'il convenait d'imposer un potentiel V(z) variable selon oz sur chacun des groupes d'électrodes A et B (voir figure 3). Or, de par leur nature métallique fortement conductrice, les électrodes ont un potentiel uniformément réparti sur leur surface si elles sont connectées à un générateur de tension. Ainsi, une électrode plane, dont la surface est parallèle à l'axe oz délivre un potentiel constant selon oz.

En revanche, une électrode dont la surface n'est pas parallèle à l'axe oz va délivrer un potentiel V(z) variable sur le plan parallèle à oz.

Afin d'aboutir à une telle configuration, l'invention préconise, selon une première forme de réalisation, dite à « électrodes biseautées », selon la figure 5, que les groupes d'électrodes A et B soient chacun composé d'une électrode unique, alimentées au potentiel de valeur crête Vo, dont la surface respective en contact avec le fluide présente une inclinaison d'un angle θ par rapport à l'horizontale, leur conférant un aspect biseauté. En d'autres termes, les électrodes présentent une section longitudinale trapézoïdale rectangle, dont la face inclinée est au contact du fluide.

L'angle θ dépend du volume de fluide à traiter et de la nature du couple particules- fluide : il doit satisfaire la condition 0 < θ < 90°.

Pour toute valeur de θ prise dans l'intervalle ainsi défini, correspond un potentiel Vo qui permet d'obtenir une force diélectrophorétique capable de déplacer les particules. Plus l'angle θ est grand sans pour autant dépasser 90°, plus l'intensité de la force diélectrophorétique est élevée.

La condition θ = 90° ne doit pas être atteinte car elle correspond au cas où la surface de l'électrode en contact avec le fluide est parallèle à oz, ce qui annule la variation du potentiel V avec z, donc la force diélectrophorétique, ainsi que montré précédemment.

La condition θ = 0 peut être envisagée, puisqu'elle correspond à un système interdigité : l'intensité de la force est limitée selon oz mais reste cependant efficace sur les arêtes des électrodes.

Cette configuration particulière, dite à « électrodes biseautées » est équivalente à la configuration obtenue avec deux électrodes planes en regard, qui sont inclinées d'un angle θ, toujours par rapport à l'horizontale illustrée en relation avec la figure 6.

Quel que soit le mode retenu pour aboutir à une telle configuration, c'est-à-dire, que l'on mette en œuvre des électrodes non planes, ou que l'on mette en œuvre des électrodes planes mais inclinées, la taille des électrodes selon l'axe oy, correspondant à l'épaisseur des électrodes n'a pas d'incidence sur la fonctionnalité du dispositif de l'invention.

Parallèlement, la compensation de la transition d'un régime de diélectrophorèse positive à un régime de diélectrophorèse négative peut se faire soit en inversant l'inclinaison des électrodes (figure 7b), soit en déplaçant la surface de collecte C sur la partie haute du composant, ainsi que représenté en figure 7c.

Ainsi, sur la figure 7a, un régime de diélectrophorèse positive est mis en œuvre, selon la configuration à électrodes biseautées du type précédemment décrit, et variation croissante du potentiel V en fonction de oz.

En revanche, un régime de diélectrophorèse négative est mis en œuvre dans les figures 7b et 7c, respectivement en inversant le profil des électrodes, afin d'aboutir à une variation décroissante du potentiel en fonction de oz, et en positionnant la surface de collecte au niveau supérieur de l'enceinte de stockage ou de déplacement du liquide à traiter et en conservant la variation croissante du potentiel avec l'axe oz.

CONFIGURATION A ELECTRODES ISOLEES

Afin d'aboutir à une variation du potentiel V(z) selon l'axe oz, l'invention propose, une seconde forme de réalisation dite à « électrodes isolées », plus particulièrement décrite en relation avec la figure 8. Selon cette configuration, les groupes d'électrodes A et B sont chacun composé d'une électrode unique, alimentée au potentiel de valeur crête Vo, chacune desdites électrodes étant revêtue au niveau de sa face en contact avec le fluide, d'une couche réalisée en un matériau isolant électrique I. Le dépôt de cette couche de matériau isolant est réalisé de façon telle, que la surface dudit isolant en contact avec le fluide présente une inclinaison d'un angle θ par rapport à l'horizontale. En d'autres termes, cela revient à faire varier l'épaisseur de la couche d'isolant selon l'axe oz.

L'invention consiste à jouer sur l'épaisseur de la couche isolante pour créer un potentiel variable V(z) le long de l'électrode et selon l'axe oz. Dans cette configuration, l'électrode proprement dite présente une surface parallèle à la direction oz et c'est l'isolant d'épaisseur variable avec z qui crée la fonction V(z) non constante.

Les conditions à remplir sur la valeur de l'angle θ sont identiques à celles décrites en relation avec la configuration à électrodes biseautées ou inclinées.

Corollairement, les conditions pour contrebalancer un éventuel passage d'un régime de diélectrophorèse positive à un régime de diélectrophorèse négative sont également identiques que celles précédemment indiquées.

La nature du matériau isolant n'est pas prédéfinie. Il doit être choisi afin qu'il assure une bonne adhérence mécanique sur l'électrode, une bonne homogénéité à l'imperméabilité des charges électriques et des propriétés mécaniques qui le rendent facilement usinable.

L'utilisation d'électrodes isolées peut apporter une très nette amélioration des performances d'un système de diélectrophorèse. Comme déjà dit, la présence de champs électriques dans les fluides conducteurs peut induire des transferts de charges électriques au niveau des électrodes, susceptibles ainsi de générer des réactions électrochimiques. Ces réactions électrochimiques aux électrodes constituent autant de facteurs limitants à l'efficacité de la séparation, car elles occasionnent en général des dégagements gazeux qui dégradent rapidement les performances électriques du composant. Les intensités des champs électriques appliqués sont principalement limitées par ces effets électrochimiques. Or, si l'intensité des champs appliqués est augmentée, l'intensité des forces diélectrophorétiques qui en découlent sont également augmentées, optimisant ainsi l'efficacité du composant.

En l'espèce, la couche isolante empêche les charges électriques de passer entre le fluide et l'électrode considérée. Il limite de ce fait l'apparition des réactions électrochimiques aux électrodes et permet de travailler avec des niveaux de champ électrique supérieurs (c'est-à-dire des niveaux de potentiel appliqué V ₀ ) à ceux habituellement obtenus avec des électrodes non isolées. L'augmentation de l'intensité du champ électrique conduit à des forces diélectrophorétiques plus intenses. Les performances des dispositifs mettant en œuvre de telles électrodes isolées sont meilleures, indépendamment de leur configuration géométrique.

CONFIGURATION A ELECTRODES EMPILEES

Pour obtenir une variation du potentiel V(z) selon l'axe oz, l'invention propose, une troisième forme de réalisation dite à « électrodes empilées », décrite en relation avec les figures 9 et 10. Selon cette configuration, chaque groupe d'électrodes A et B est constitué d'un empilement d'électrodes, alimentées par un signal électrique de manière individuelle, et séparées par un matériau isolant.

Le nombre N d'électrodes empilées dans chaque groupe et leur dimension selon oz ne sont pas fixés. Chaque groupe doit avoir au moins deux électrodes et leur nombre N croissant améliore les performances recherchées du composant. Les valeurs des potentiels Vi appliqués à chaque électrode positionnée à la coordonnée zi détermine la fonction globale V(z) telle que :

i=l,N

La forme de la fonction V(z) peut être polynomiale en z :

V(z) = Xv ₁ (Z ₁ ) = a _n z ⁿ + a _n _ ₁ z ¹¹ - ¹ + ...+ a _lZ + a ₀ i=l,N où n est l'ordre du polynôme.

Mais toute autre forme peut être envisagée, dès lors qu'elle est fonction de la coordonnée z (exponentielle, logarithmique...).

Comme déjà dit, on peut jouer sur la valeur des potentiels V ₁ pour éventuellement inverser le sens de variation de la fonction V(z) en cas d'inversion de régime de diélectrophorèse.

La configuration à électrodes empilées peut être utilisée soit en appliquant simultanément à chacun des deux groupes A et B d'électrodes un potentiel différent (V ₁ , V ₂ , V ₃ ) sur chaque électrode (variation spatiale du potentiel), soit en appliquant un potentiel (constant ou pas) de façon séquentielle sur chaque électrode (variation temporelle du potentiel). Selon cette seconde alternative (figures 10a à 1Od), les électrodes sont consécutivement « allumées » les unes après les autres, c'est à dire qu'elles sont portées à un même potentiel consécutivement, induisant un gradient spatio-temporel du potentiel et une force diélectrophorétique qui, dans le temps, se déplace vers la surface de capture, conférant un effet piston sur les particules.

Une possibilité simple pour alimenter différemment (spatialement et temporellement) chaque électrode de chaque groupe est indiquée sur les schémas électriques représentés en relation avec les figures 1 la, 1 Ib et 1 Ic.

Selon le schéma électrique de la figure lia, on place aux bornes de chaque électrode une impédance Z ₁ , composée d'une combinaison Résistance - Inductance R ₁ L ₁ .

Par exemple, une configuration sans déphasage est obtenue avec le schéma électrique de la figure 11b, mettant limitativement en œuvre une résistance, et provoquant ainsi une variation spatiale du potentiel V. Avec le schéma électrique de la figure lie, mettant en œuvre des inductances, on obtient une variation spatio-temporelle du potentiel V, l'inductance induisant un retard.

CONFIGURATION A ELECTRODES EN DAMIER

Les différentes configuration décrites précédemment peuvent permettre de créer un composant à structure en damier. Ce composant est constitué par l'assemblage de plusieurs composants pyramidaux du type décrit ci-dessus, dont le nombre n'est pas fixé. Le fluide et les particules sont disposés au-dessus du composant. Les figures 12a et 12b illustrent une structure pyramidale à damier obtenue à partir d'une configuration à électrodes biseautées, respectivement en section transversale et vue du dessus.

Dans le cadre des applications de l'invention à des analyses moléculaires, il est nécessaire de pouvoir détecter une ou des molécules particulières qui seraient présentes parmi d'autres. Le composant à structure en damier peut être adapté sur des plaques micropuits déjà utilisées pour ce type d'application. Ces plaques présentent des micro-cuvettes, en général réparties en matrice. Les flancs des cuvettes peuvent constituer le support des électrodes mises en œuvre conformément à l'invention. Chaque puits est constitué d'un composant pyramidal élémentaire et joue le rôle d'un plot capable de différencier chimiquement de par la nature de la surface de capture positionnée au fond de puits, une molécule recherchée. L'allumage individuel (adressage) de chaque plot consiste à appliquer un potentiel électrique sur chaque groupe d'électrodes. L'allumage des puits de façon simultanée ou de façon séquentielle permet de favoriser la capture des molécules par diélectrophorèse. L'intérêt principal de cette configuration particulière est de retrouver le fonctionnement d'un système planaire tout en séparant les surfaces électriques des surfaces de capture.

Quelle que soit la configuration choisie, on montre que la collecte est améliorée si l'on met en œuvre en tant que surface de collecte un socle isolant. En effet, on démontre qu'avec une telle surface de collecte, on évite la concentration des particules collectées au niveau des électrodes, c'est à dire au niveau du lieu où le champ électrique est le plus intense. Le socle isolant joue alors le rôle de zone d'arrêt ou de confinement, qui n'est plus en contact avec les électrodes.

Dans une variante de l'invention, on remplace ce socle isolant par un socle en un matériau conducteur, isolé électriquement des électrodes, et porté par exemple à la masse ou polarisé.

La pratique démontre alors que la collecte des particules intervient au niveau de la partie centrale dudit socle, et non plus au niveau des bords, comme le cas précédent mettant en oeuvre un socle isolant.

Cette forme de réalisation présente un certain nombre d'avantages, parmi lesquels on peut mentionner :

• le confinement des particules en une zone plus dégagée, permettant ainsi une rediffusion plus rapide des particules ;

• la plus grande facilité de réalisation du greffage de plots de capture biologique, en raison de la position centrale par rapport à l'axe du canal d'écoulement du fluide contenant lesdites particules ;

• la plus grande facilité d'effectuer une lecture optique, par exemple par fluorescence, en raison de la moindre diffraction du signal par les bords du canal d'écoulement, et par la diminution des phénomènes de vignettage résultant de l'occultation des faisceaux lumineux par ces mêmes parois.

Le substrat devant être conducteur, il présente avantageusement une couche réalisée en or, en argent, en platine, en aluminium ou en chrome. Pour être en plus transparent, il pourra être réalisé en ITO (terme générique désignant les oxydes d'Indium) ou en polyaniline.

La détection peut ainsi être réalisée de manière optique, et notamment par fluorescence, que le socle soit transparent ou non. Dans ce dernier cas, on passe par l'excitation de la fluorescence via un plasmon de surface. Cette détection peut également être réalisée en résonance de plasmon de surface. Elle peut encore être réalisée de manière électrique en utilisant alors le socle comme une électrode active lors d'une opération de lecture.

On conçoit dès lors tout l'intérêt du dispositif de la présente invention, dans la mesure où, fondamentalement et en premier lieu, il permet de définir un champ de forces diélectrophorétiques s'étendant au sein de tout le volume de fluide, ce que l'on ne pouvait obtenir avec les dispositifs de l'art antérieur.

Ensuite, il permet de fonctionner aussi bien en régime de diélectrophorèse positive que diélectrophorèse négative, optimisant ainsi le nombre de couples particules-fluide susceptible d'être traités, et offrant au manipulateur une plus large gamme de fréquences de fonctionnement.