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Title:
MICROFLUIDIC EXTRACTION DEVICE HAVING A STABILIZED LIQUID/LIQUID INTERFACE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/113905
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a microfluidic extraction device (1) for extracting analytes of interest from a carrier liquid (P) in a solvent liquid (S), the two liquids (P, S) forming an interface (2) between micro-pillars (32) of an extraction chamber (30). According to the invention, the carrier liquid (P) forms a wetting angle Θ1 on the micro-pillars (31) and the lower wall (11) of the extraction chamber on the one hand, and a wetting angle Θ2 on the upper wall (21) on the other hand, said wetting angles complying with the relation 45°≤(Θ1+Θ2)/2≤135°.

Inventors:
BERTHIER JEAN (FR)
SARRUT-RIO NICOLAS (FR)
Application Number:
PCT/EP2012/053159
Publication Date:
August 30, 2012
Filing Date:
February 24, 2012
Export Citation:
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Assignee:
COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE (FR)
BERTHIER JEAN (FR)
SARRUT-RIO NICOLAS (FR)
International Classes:
G01N1/40; B01L3/00
Other References:
BERTHIER J ET AL: "The physics of a coflow micro-extractor: Interface stability and optimal extraction length", SENSORS AND ACTUATORS A, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, vol. 149, no. 1, 15 January 2009 (2009-01-15), pages 56 - 64, XP025868618, ISSN: 0924-4247, [retrieved on 20081101], DOI: 10.1016/J.SNA.2008.10.005
BERTHIER J ET AL: "On the pinning of interfaces on micropillar edges", JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE, ACADEMIC PRESS, NEW YORK, NY, US, vol. 338, no. 1, 1 October 2009 (2009-10-01), pages 296 - 303, XP027567049, ISSN: 0021-9797, [retrieved on 20090607]
V. M. TRAN, R. BLANC, J. BERTHIER, O. CONSTANTIN, N. SARRUT: "Systeme microfluidique multicanaux pour l'extraction liquide-liquide: fabrication, traitement de surface et stabilisation d'interface", 18EME CONGRES FRANÇAIS DE MECHANIQUE, GRENOBLE, 27 August 2007 (2007-08-27) - 31 August 2007 (2007-08-31), pages 1 - 6, XP002664547, Retrieved from the Internet [retrieved on 20111124]
FAÃ DJIBA LOE-MIE ET AL: "Towards an Efficient Microsystem for the Real-Time Detection and Quantification of Mercury in Water Based on a Specifically Designed Fluorogenic Binary Task-Specific Ionic Liquid", ANGEWANDTE CHEMIE INTERNATIONAL EDITION, vol. 49, no. 2, 3 December 2009 (2009-12-03), pages NA - NA, XP055012558, ISSN: 1433-7851, DOI: 10.1002/anie.200905037
BERTHIER ET AL.: "The physics of a coflow micro-extractor : Interface stability and optimal extraction length", SENSOR. ACTUATOR. A, vol. 149, 2009, pages 56 - 64, XP025868618, DOI: doi:10.1016/j.sna.2008.10.005
BERTHIER; SILBERZAN, MICROFLUIDICS FOR BIOTECHNOLOGY, 2010
TRAN ET AL.: "Micro-extractor for liquid-liquid extraction, concentration and in-situ détection of lead", IMRET-10: 10TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON MICROREACTION, 6 April 2008 (2008-04-06)
Attorney, Agent or Firm:
AUGARDE, Eric et al. (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Dispositif microfluidique d' extraction (1) d' analytes d' intérêt d' un liquide porteur (P) dans un solvant liquide (S) non miscible avec le liquide porteur (P) , comportant une chambre d' extraction (30) délimitée par des parois inférieure (11), supérieure (21) et latérales, et formée d' une première et d' une seconde zones de transfert (31A, 31B) formant, respectivement, une partie d' un premier microcanal (40A) et d' un second microcanal (40B) et étant séparées 1' une de l' autre dans le sens longitudinal par une pluralité de micro-piliers (32) s' étendant entre lesdites parois inférieure (11) et supérieure (21) , ledit dispositif comportant des moyens (50A, 50B) pour assurer une circulation dans lesdits microcanaux (40A, 40B) du liquide porteur (P) et du solvant liquide (S) , ladite première zone de transfert (31A) contenant ledit liquide porteur (P) et ladite seconde zone de transfert (31B) contenant ledit solvant liquide (S) , ledit solvant liquide (S) formant avec ledit liquide porteur (P) une pluralité d' interfaces (2) dont chacune s' étend entre deux micro-piliers (32) adjacents et lesdites parois inférieure (11) et supérieure (21) ,

ledit dispositif étant caractérisé en ce que le liquide porteur (P) baignant dans le solvant liquide (S) et formant, au contact d' un premier matériau constituant les micro-piliers ( 32 ) , un premier angle de mouillage Θ1 , et , au contact d'un second matériau constituant la paroi supérieure (21) ou la paroi inférieure (11) , un deuxième angle de mouillage Θ2 , lesdits liquides et lesdits matériaux sont choisis de sorte à satisfaire la relation

6min < (θ1+θ2)/2 < 9max avec θιηίη > 45° et Gmax ≤ 135°.

2. Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon la revendication 1, tel que

9min > 70° et 9max < 110° .

3 . Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon la revendication 1 ou 2 , caractérisé en ce que le solvant (S) est ionique . 4. Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon l' une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le liquide porteur ( P) est aqueu . 5. Dispositif microfluidique d' extraction ( 1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (50A, 50B) pour assurer une circulation dans lesdits microcanaux (40A, 40B) assurent une circulation du liquide porteur (P) avec un débit Dl non nul , et du solvant liquide (S) avec un débit D2 non nul , avec D1/D2 > 1.

6. Dispositif microfluidique d' extraction ( 1 ) selon la revendication 5 , caractérisé en ce que les largeurs wl , w2 respectives desdites zones de transfert (31A, 31B) sont choisies de manière à vérifier la relation 1 3' ξ( ι)= 2 32 ξ( .,) où ηί est la viscosité dynamique du liquide i considéré, ζ( ,) est un coefficient traduisant la friction à laquelle est soumis le liquide traversant le canal , étant compris entre 1 et 5, et D],D2 sont respectivement les débits du liquide porteur (P) et du solvant liquide (S) .

7 . Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé qu' il comporte des moyens (50A, 50B) adaptés à imposer, en amont ou en aval de la chambre d'extraction (30), la pression statique de chacun desdits liquides (P, S) , lesdites pressions statiques imposées étant sensiblement égales.

8 . Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon l' une quelconque des revendications précédentes , caractérisé en ce qu' il comporte un substrat inférieur et un substrat supérieur, lesdits micro-piliers (32) et ladite paroi inférieure (11) étant réalisés au sein dudit substrat inférieur et ladite paroi supérieure (21) étant formée par ledit substrat supérieur. 9 . Dispositif microfluidique d'extraction (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit substrat inférieur est réalisé en oxyde de silicium et ledit substrat supérieur est réalisé en verre.

Description:
DISPOSITIF MICROFLUIDIQUE D'EXTRACTION A INTERFACE LIQUIDE-LIQUIDE STABILISEE

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne le domaine général de la microfluidique et porte sur un dispositif microfluidique d'extraction liquide - liquide d' analytes d' intérêt .

L' extraction des analytes d' intérêt est réalisée dans une chambre d' extraction du micro-dispositif dans laquelle les deux liquides circulent, séparés l'un de 1' autre par des micro-piliers disposés parallèlement aux écoulements .

Les analytes d' intérêt peuvent être des particules chimiques et/ou biologiques, telles que des macromolécules, des cellules, des organites, des pathogènes , voire des agents intercalants .

Le dispositif microfluidique d' extraction trouve une application notamment dans les biotechnologies, la chimie et les sciences de l'environnement.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Dans de nombreux domaines industriels , on cherche à analyser des échantillons liquides, dans le but notamment de déterminer la concentration en analytes qu'ils peuvent éventuellement contenir.

C f est le cas par exemple du domaine du diagnostic , du suivi agroalimentaire ou de la surveillance de l'environnement. Les étapes d' analyse peuvent nécessiter, préalablement à la détection des analytes et à la mesure de leur concentration, de transférer lesdits analytes d' intérêt d' un liquide porteur vers un solvant liquide pour obtenir une concentration élevée d' analytes dans le solvant liquide. Cela permet d' augmenter l' efficacité et la précision de la détection desdits analytes par les moyens d' analyse courants .

Pour cela, il est connu d' utiliser un dispositif microfluidique d'extraction liquide-liquide, tel que décrit notamment dans l'article de Berthier et al. intitulé « The physïcs of a coflow micro-extractor : Interface stability and optimal extraction length » , 2009, Sensor. Actuator. A 149, 56-64.

Comme le montrent les figures 1 et 2, un tel micro-extracteur 1 comporte une chambre d' extraction 30 formée de deux zones de transfert 31A, 31B séparées 1' une de l' autre dans le sens longitudinal par une pluralité de micro-piliers 32. Le sens longitudinal coïncide avec le sens d' écoulement des liquides dans la chambre d'extraction. Il correspond à la direction selon laquelle s' étend l' interface entre les deux liquides .

La chambre d' extraction 30 est délimitée par des parois inférieure, supérieure et latérales. Les micropiliers 32 sont alignés dans le sens longitudinal et s' étendent chacun entre les parois inférieure et supérieure .

Chaque zone de transfert 31A, 31B communique avec un microcanal 40A, 40B qui assure la circulation fluidique de deux liquides dans la chambre d' extraction 30 suivant le sens longitudinal de celle-ci .

Le liquide porteur P d' analytes d' intérêt circule au sein de la première zone de transfert 31A, et le solvant liquide S circule dans la seconde zone de transfert 31B.

Selon l' article cité plus haut, le liquide porteur P est de l' eau ou une solution aqueuse, et le solvant liquide S est une solution organique. Les deux liquides sont non miscibles l'un avec 1/ autre.

Les analytes d' intérêt peuvent être des particules chimiques et/ou biologiques, telles que des macromolécules, des cellules, des organites , des pathogènes, voire des agents intercalants.

U interface du liquide porteur P avec le solvant liquide S est située entre chaque micro-pilier 32 et s' étend entre les parois inférieure et supérieure. Plus précisément , le liquide porteur P forme une pluralité d' interfaces avec le solvant liquide S, qui sont chacune au contact de deux micro-piliers 32 adjacents et des parois inférieure et supérieure.

Les analytes d' intérêt diffusent au travers des interfaces, du liquide porteur vers le solvant liquide, et se lient, par exemple à des ligands de sorte qu' ils ne puissent revenir dans le liquide porteur, ou, par exemple du fait d'une meilleure solubilité dans le solvant .

Cependant, le fonctionnement d' un tel microextracteur nécessite de maintenir stables les interfaces du liquide porteur avec le solvant liquide, c' est-à-dire de les maintenir, lors de la circulation des liquides, au contact des micro-piliers et des parois supérieure et inférieure.

Les interfaces sont notamment soumises à des forces capillaires de mouillage du fait du contact des fluides considérés avec les micro- iliers et lesdites parois , lors de leur circulation .

Or, il a été observé que la valeur des angles de mouillage du liquide porteur sur le matériau constituant les micro-piliers et sur le matériau constituant les parois inférieure et supérieure peut avoir une influence déterminante sur la stabilité de 1 1 écoulement .

Ainsi , lorsqu'un premier liquide (par exemple le liquide porteur) présente un angle de mouillage trop élevé (notamment supérieur à 165° voire 170° ) avec 1 ' un des matériaux constituant le dispositif ( la paroi supérieure , paroi inférieure ou piliers) , 1 ' interface n'est pas stable. Cela provoque l'envahissement, par ledit premier liquide , de la zone occupée par le second liquide (par exemple le solvant) .

Cette rupture de l' interface du premier liquide, du fait des forces capillaires de mouillage , peut donc entraîner une dégradation importante de efficacité d' extraction du micro-extracteur, voire un blocage du dispositif .

EXPOSÉ DE L'INVENTION

1/ invention a pour but de présenter un dispositif microfluidique d' extraction d' analytes d' intérêt d' un liquide porteur dans un liquide solvant , dont l f interface du liquide porteur avec le solvant liquide présente une stabilité améliorée par rapport à la réalisation de l'art antérieur mentionné précédemment.

Pour ce faire, l' invention a pour objet un dispositif microfluidique d' extraction d' analytes d' intérêt d' un liquide porteur aqueux dans un solvant liquide non miscible avec le liquide porteur, comportant une chambre d' extraction délimitée par des parois inférieure, supérieure et latérales, et formée d' une première et d f une seconde zones de transfert formant, respectivement, une partie d' un premier microcanal et d' un second microcanal et étant séparées 1' une de l' autre dans le sens longitudinal par une pluralité de micro-piliers s' étendant entre lesdites parois inférieure et supérieure, ledit dispositif comportant des moyens pour assurer une circulation dans lesdits microcanaux du liquide porteur avec un débit non nul Dl et du solvant liquide avec un débit non nul D2 , avec D1/D2 > 1, ladite première zone de transfert contenant ledit liquide porteur et ladite seconde zone de transfert contenant ledit solvant liquide, ledit solvant liquide formant avec ledit liquide porteur une pluralité d' interfaces dont chacune s' étend entre deux micro-piliers adjacents et lesdites parois inférieure et supérieure, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le liquide porteur baignant dans le solvant liquide et formant, au contact d' un premier matériau constituant les micro-piliers et la paroi inférieure, un premier angle de mouillage Θ1, et, au contact d' un second matériau constituant la paroi supérieure, un deuxième angle, de mouillage Θ2, lesdits liquides et lesdits matériaux sont choisis de sorte à satisfaire la relation : 9min < (θ1+θ2)/2 < 9max avec θιηίη > 45° et 9max ≤ 135°. On voit alors que la moyenne des angles Θ1 et 92 de mouillage précédemment définis doit être comprise entre deux angles limites θ, η ι η et 9 max .

D'une façon générale, il est possible de considérer 9 min > 45°et 9 max ≤ 135°, ce qui définit une première plage dans laquelle la moyenne des angles de mouillage θχ et θ 2 peut évoluer. De façon préférentielle, on définit une deuxième plage plus restreinte, comprise entre des angles limites 9 min et 9 raax tels que 9 min > 70°et 9 raax ≤ 110°.

Les inventeurs se sont aperçus que plus a se rapproche de 0°, (donc lorsque la moyenne des angles de mouillage θ χ et 9 2 définis ci-dessus se rapproche des angles limites 45° ou 135°) , plus la variation de pression de part et d'autre de l'interface doit être maîtrisée, et inférieure à une variation de pression critique APmax, décrite ultérieurement.

Autrement dit, plus les angles de mouillage d'un des deux liquides avec le matériau constituant les piliers ( θ ) et la paroi supérieure (9 2 ) se rapprochent des valeurs limites de 45° ou 135°, plus l'équilibre de l'interface sera fragile, et sensible à la moindre fluctuation de la variation de pression de part et d'autre de l'interface.

De préférence, les angles de mouillage θ 1 et θ 2 sont supérieurs à 10° voire 15° et inférieurs à 170°, voire 165° afin d' éviter l' apparition d'un film de contact avec l'un des matériaux constituant le dispositif .

Afin de réduire les risques d'une instabilité de 1 ' interface due aux fluctuations de la variation de pression de part et d ' autre de 1 ' interface , il est préférable que a soit compris entre 25° et 45°. Ainsi , les angles de mouillage précédemment définis sont contenus dans une plage angulaire restreinte dont les valeurs limites 9 min et 9 max sont telles que 9 min > 70°et e max ≤ 120° .

Une telle plage angulaire restreinte permet par exemple une bonne stabilité de 1 ' interface, en étant relativement insensible aux fluctuations de pression de part et d ' autre de 1 ' interface . Cette gamme peut, par exemple , être obtenue en utilisant les matériaux et liquides suivants :

- premier liquide : solution aqueuse

- deuxième liquide : liquide ionique , par exemple du [BMP] , [NTf;?] ( 1 -butyl- lméthylpyrrolidinium bis- ( trifluorométhane suifonamidure) .

- matériau constituant les piliers ainsi que la paroi inférieure : Si0 2

- matériau constituant la face supérieure : Verre , par exemple du Pyre .

On comprend que dans le mesure du possible , on a intérêt à ce que la moyenne des angles de mouillage Q x et θ 2 se rapproche le plus possible de 90° .

Par liquide porteur, on entend un liquide contenant des analytes d'intérêt.

Par solvant liquide , on entend un liquide apte à recevoir et à garder les analytes d' intérêt initialement contenus dans le liquide porteur . Le sens longitudinal coïncide avec la direction selon laquelle s f étend l' interface entre le liquide porteur et le solvant liquide . Lorsque le liquide porteur et éventuellement le solvant liquide sont en écoulement , le sens longitudinal coïncide avec le sens d' écoulement du ou des liquide (s) . Le sens longitudinal est compris dans un plan sensiblement orthogonal aux parois inférieure et supérieure .

Avantageusement , les largeurs wl , w2 respectives desdites zones de transfert sont choisies de manière à vérifier la relation : )

où η ί est la viscosité dynamique du liquide considéré , et ξ{α ί ) est un coefficient traduisant la friction à laquelle est soumis le liquide traversant le canal . Plus un canal est étroit , plus ce coefficient est élevé . Pour les applications visées , ce facteur est généralement compris entre 1 et 5. Dans le cas d 1 un canal de section rectangulaire , on a :

2[(l / 3) - (64a,. / 7z- 5 ) tanh(

avec «, - mm où w t est la largeur du canal i et H

est la hauteur des canaux, I et D 2 sont respectivement les débits du liquide porteur et du solvant liquide . Ainsi, la différence de pression dynamique entre le liquide porteur et le solvant liquide dans la chambre d' extraction est constante suivant le sens longitudinal de celle-ci. Il n' y a pas de risque qu' il y ait une zone de la chambre d' extraction dans laquelle la différence de pression dépasse une valeur seuil APmax au-delà de laquelle l' interface est susceptible de rompre . Cette valeur seuil peut être le saut de pression capillaire 2γ/δ, où y est la tension de surface du solvant liquide en contact avec le liquide porteur, et δ est l' espacement moyen entre deux micropiliers adj acents . On obtient ainsi une chambre d' extraction dans laquelle les interfaces sont stables en tout point vis-à-vis des contraintes normales de pression. La chambre d' extraction peut donc être d'une grande longueur utile de transfert .

Avantageusement , le dispositif microfluidique d' extraction comporte des moyens adaptés à imposer, en amont ou en aval de la chambre d' extraction, la pression statique de chacun desdits liquides , lesdites pressions statiques imposées étant sensiblement égales 1' une avec l' autre. Autrement dit, on a intérêt à maintenir une variation de pression ΔΡ, de part et d ' autre de 1 ' interface , aussi proche que possible de 0 , et, dans tous les cas , inférieure à la valeur critique APmax .

Ainsi , la différence de pression dynamique entre les deux liquides au niveau de l' une quelconque desdites interfaces est sensiblement nulle , donc strictement inférieure à la valeur seuil capillaire 2γ/δ.

Le dispositif microfluidique d' extraction selon 1' invention peut être realise a partir de deux substrats . Un substrat inférieur et un substrat supérieur, lesdits micro-piliers et ladite paroi inférieure étant réalisés au sein dudit substrat inférieur tandis que ladite paroi supérieure est formée par ledit substrat supérieur .

De préférence, ledit substrat inférieur est réalisé en oxyde de silicium et ledit substrat supérieur est réalisé en verre.

D' autres avantages et caractéristiques de 1' invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS On décrira à présent, à titre d' exemples non limitatifs, des modes de réalisation de 1' invention, en se référant aux dessins annexés , dans lesquels :

La figure 1, déj à décrite , est une vue schématique en vue de dessus d' un dispositif microfluidique d' extraction selon un exemple de 1' art antérieur ;

La figure 2, déj à décrite , est une vue agrandie et en perspective d' une partie du dispositif microfluidique d' extraction illustré sur la figure 1 ;

La figure 3 est une représentation de 1 ' angle de mouillage Θ formé par un premier liquide Ll mouillant dans un deuxième liquide L2 , au contact de la surface d'un matériau M ;

La figure 4 est une vue schématique en perspective de la chambre d' extraction d' un dispositif microfluidique d' extraction selon le mode de réalisation préféré de l' invention ;

La figure 5 illustre une coupe transversale du dispositif microfluidique de la Fig . 4 lorsque la condition de stabilité n' est pas respectée.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ D ' UN MODE DE RÉALI SATION PRÉFÉRÉ

Sur la figure 4 est représenté un dispositif microfluidique d' extraction liquide - liquide , ou microextracteur, permettant le transfert d f analytes d' intérêt d' un liquide porteur vers un solvant liquide selon le mode de réalisation préféré de l' invention .

Il est à noter que les échelles ne sont pas respectées , pour privilégier la clarté du dessin.

Dans toute la description qui va suivre , par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (X , Y, Z ) présenté sur la figure 3. La direction X est orienté suivant le sens longitudinal correspondant au sens de circulation des liquides , la direction Y est orthogonale à la direction X et la direction Z est orientée suivant la hauteur du dispositif .

Les termes « inférieur » et « supérieur » sont ici à comprendre en termes d' orientation suivant la direction Z dudit repère .

Le dispositif 1 comporte une chambre d' extraction 30 délimitée par des parois latérales, inférieure 11 et supérieure 12.

La chambre d' extraction 30 est formée d' une première et d' une seconde zones de transfert 31A, 31B séparées l' une de l' autre dans le sens longitudinal par une pluralité de micro-piliers 32.

Les micro-piliers 32 sont alignés suivant le sens longitudinal et s' étendent suivant la direction Z entre lesdites parois inférieure 11 et supérieure 21.

Ils sont de préférence cylindriques au sens général du terme , et peuvent présenter une section circulaire , oblongue , voire polygonale . De préférence , la section est polygonale , par exemple triangulaire , carrée , rectangulaire , et présente des angles vifs .

Ils présentent une hauteur moyenne H définie par la distance entre les parois inférieure 11 et supérieure 21, et une épaisseur moyenne e mesurée suivant le sens transversal .

La chambre d' extraction 30 est formée par un substrat inférieur et un substrat supérieur . Dans le substrat inférieur sont réalisées les zones de transfert 31A, 31B et les micro-piliers 32. Le substrat supérieur, ou capot , est assemblé au substrat inférieur .

Ainsi , les parois latérales , la paroi inférieure

11 , ainsi que les micro-piliers 32 , sont réalisées dans le substrat inférieur, alors que la paroi supérieure 21 est une face du substrat supérieur.

Chaque zone de transfert 31A, 31B communique avec un microcanal 40A, 40B (non représenté sur la figure 4 ) identique à celui illustré sur la figure 1. Le microcanal 40A, 40B est formé d'un conduit d'entrée 41A, 41B et d'un conduit de sortie 42A, 42B disposés respectivement en amont et en aval de la chambre d' extraction 30 (figure 1) .

Le premier microcanal 40A est connecté à des moyens 50A permettant de faire circuler un liquide ^

porteur P d' analytes d' intérêt dans la première zone de transfert 31A avec un débit non nul Dl . Le. second microcanal 40B est connecté à des moyens 50B permettant de faire circuler un solvant liquide S dans la seconde zone de transfert 31B avec un débit D2 , celui-ci pouvant être nul ( figure 1 ) .

Il est à noter que les liquides P, S peuvent circuler à co- courant ou à contre-courant .

La première zone de transfert 31A contient le liquide porteur P et la seconde zone de transfert 31B contient le solvant liquide S .

Avantageusement le solvant liquide S est ionique . Le liquide porteur P forme avec le solvant liquide S, dans la chambre d' extraction 30 , une pluralité d' interfaces 2 dont chacune s' étend entre deux micro-piliers 32 adjacents et entre les parois inférieure 11 et supérieure 21.

Pour chaque liquide considéré , en 1 1 occurrence le liquide porteur et le liquide solvant, des angles de mouillage θι et θ 2 sur les matériaux constituant les piliers , et les surfaces inférieures ou supérieures peuvent être définis .

La figure 3 illustre particulièrement la définition d'un angle de mouillage selon l' invention. Sur cette figure , l' angle de mouillage Θ peut être défini , comme correspondant à 1 ' angle de contact qu'une goutte d'un premier liquide Ll au repos, baignant dans un second liquide L2 au repos , forme lorsqu ' elle est placée au contact d' un matériau M.

Pour la définition des angles de mouillage θι et θ 2 , on considère en effet que le premier liquide et le second liquide sont au repos . Les angles de mouillage ainsi définis sont alors caractéristiques des matériaux constituant le dispositif (la paroi supérieure , la paroi inférieure ou les piliers) et non des écoulements .

Si l'on considère un premier liquide (par exemple le liquide porteur) , un premier angle de mouillage θι peut être défini, correspondant à l'angle de contact qu'une goutte de ce premier liquide, baignant dans le second liquide (le liquide solvant dans cet exemple) , forme lorsqu'elle est placée au contact du matériau constituant les micro-piliers .

Selon l' invention, puisque les angles de mouillage sont définis en fonction des liquides et des matériaux, 1' angle de mouillage au niveau de la paroi inférieure 11 est sensiblement égal à celui mesuré au niveau des micro-piliers 32. Cet angle sera également noté θχ . En effet, la paroi inférieure et les micro-piliers sont réalisés dans le même matériau, puisque ils sont réalisés dans le substrat inférieur

Un second angle de mouillage θ 2 est défini au niveau de la paroi supérieure 21; il correspond alors à l'angle de contact qu'une goutte du premier liquide, baignant dans le second liquide (le liquide solvant dans cet exemple), forme lorsqu'elle est placée au contact du matériau constituant la paroi supérieure.

Il est à noter que les surfaces sont dites hydrophiles lorsque l' angle de mouillage Θ tel que représenté en figure 3, est inférieur à 90° et dites hydrophobes pour un angle Θ supérieur à 90°. On comprend que l' angle de mouillage Θ peut représenter 1' angle θι dans le cas où le matériau M est le matériau du substrat inférieur, où θ 2 dans le cas ou M est le matériau du substrat supérieur.

Dans le premier cas, c'est-à-dire pour Θ inférieur à 90°, le liquide considéré est dit mouillant et dans le second cas, non-mouillant . Il est à noter que l' on se situe ici dans la situation du mouillage partiel et non dans le cas du mouillage total.

Selon l'invention, le liquide porteur P, le solvant liquide S et les matériaux des micro-piliers et de la paroi supérieure ou inférieure sont choisis de sorte que les angles de mouillage Θ1 et Θ2 vérifient la relation : De préférence, les angles de mouillage θ ί et θ 2 sont supérieurs à 10° voire 15° et inférieurs à 170°, voire 165° afin d'éviter l'apparition d'un film de contact avec l'un des matériaux constituant le dispositif (la paroi supérieure, la paroi inférieure ou les piliers) .

Ainsi, les interfaces 2 entre deux micro-piliers 32 sont stables et restent au contact des micro-piliers 32 et des parois inférieures 11 et supérieure 21.

Autrement dit, à l'interface entre les micro- piliers, un matériau constituant une paroi supérieure (ou inférieure ) , on définit :

un premier angle de mouillage θι que forme un premier liquide baignant dans le deuxième liquide, au contact du matériau constituant les piliers et la paroi inférieure ;

un deuxième angle de mouillage θ 2 que forme ledit premier liquide baignant dans ledit deuxième liquide , au contact du matériau constituant la paroi supérieure ; les matériaux constituant les micro-piliers, la paroi inférieure et la paroi supérieure étant choisis tels que la condition, de stabilité est respectée : Ainsi , la moyenne des premier et deu ième angles de mouillage doit être comprise entre deux angles limites 9min et 9max, avec 9min > 45° et 9max ≤ 135°.

Naturellement , cette condition doit s ' appliquer à la fois au niveau de la paroi inférieure et au niveau de la paroi supérieure .

Si cette condition de stabilité n' est pas satisfaite , 1 ' interface 2 se déplace selon les flèches en gras représentées sur la Figure 5, ce qui peut conduire à une rupture d ' interface . Dans l'exemple de la figure 5, le premier liquide Ll envahit le demi - canal destiné à L2. Plus précisément, on a représenté en Fig . 5 une coupe transversale du dispositif microfluidique de la Fig. 4. L' interface 2 s' est ici déplacée au-delà du micro-pilier 32 et a pénétré dans la partie du micro- canal réservée à L2. Les angles de contact s i et ε 2 , qui ont été représentés résultent des conditions d ' écoulement des liquides Ln et L 2 dans le dispositif. Il ne s'agit pas d'angles de mouillage (θ χ ou θ 2 ) au sens de 1 ' invention. On rappelle que dans cette description, un angle de mouillage Θ est défini comme étant 1 1 angle formé par une goutte d ' un premier liquide mouillant un matériau M, cette goutte baignant , au repos , dans un deuxième liquide .

Grâce à la condition précitée , on évite la formation d' un écoulement capillaire de coin (Capillar -dri ven flow in a corner, en anglais ) qui apparaît lorsque la moyenne des angles Θ1 et Θ2 dépasse des limites inférieures ou supérieures définies par la condition de Conçus - Finn . En effet , comme le montre Berthier et Silberzan dans l' ouvrage intitulé Microfluidics for biotechnology, 2010 , Artech House , une interface au contact d' une arête formée de deux surfaces de mouiHabilité différente , définies par leur angle de mouillage Θ1 et Θ2, reste au repos lorsque les angles Θ1 et Θ2 vérifient la condition de Conçus -Finn :

π/2-α< (Θ1+Θ2) /2< π/2+ où a est le demi -angle du coin . Cependant , il apparaît que \ l interface 2 peut être instable lorsque la moyenne des angles Θ1 et Θ2 est proche de ces angles limites. En effet , dans de telles conditions , la stabilité ne peut-être obtenue que lorsque la variation de pression AP de part et d ' autre de 1 1 interface est inférieure au seuil APmax précédemment défini . La moindre fluctuation de cette variation de pression est susceptible d ' entraîner une instabilité de 1 ' interface , pouvant générer un envahissement du canal occupé par le liquide le moins mouillant par le liquide le plus mouillant .

Or, il a été observé que l' interface 2 reste stable lorsque la relation 70°< (Θ1+Θ2 ) /2 110° donnée précédemment est vérifiée . Cette plage angulaire réduite est avantageuse , car elle permet une moindre maîtrise de la variation de pression de part et d 1 autre de 1 ' interface . Ainsi , des fluctuations mineures autour de .APmax sont moins susceptibles de générer une rupture de 1 ' interface . Par conséquent , le système est plus robuste .

A titre il lustratif , lorsque les micro-piliers 32 et la paroi supérieure 21 sont en Si02, le liquide porteur P étant une solution aqueuse et le solvant S étant un solvant organique comme le cyclohexane , la moyenne des angles Θ1 et Θ2 donne 120°. Cependant, bien que ce résultat vérifie la relation de Conçus -Finn, il a été observé une rupture de l' interface lorsque la pression de part et d'autre de l'interface n'est pas suffisamment maîtrisée .

Au contraire , lorsque le solvant S est le liquide ionique BMP ( 1 -butyl - 1 -méthylpyrrolidinium) , on mesure , dans les mêmes conditions , un angle Θ1 de 97 0 et un angle Θ2 de 110°, ce qui donne une moyenne de 103°. Cette moyenne entre dans la plage angulaire restreinte 70°< (Θ1+Θ2 ) /2<110° . Il a été observé que l'interface 2 est ici parfaitement stable .

Par ailleurs , la pression dynamique du liquide porteur P , et éventuellement celle du solvant liquide S , diminue progressivement suivant le sens longitudinal de la chambre d'extraction 30.

Or, il a été montré dans l' article de Berthier et al. 2009 cité précédemment , que la différence de pression dynamique entre le liquide porteur P et le solvant liquide S suivant le sens longitudinal peut dépasser une valeur seuil au-delà de laquelle 1' interface se rompt .

Cette valeur seuil correspond sensiblement au saut de pression capillaire 2γ/δ, où γ est la tension de surface du liquide porteur P en contact avec le solvant liquide S, et δ est l'espacement moyen entre deux micro-piliers 32 adjacents. longueur de la chambre d' extraction 30 au-delà de laquelle la différence de pression dynamique atteint la v leur seuil . Cette longueur critique limite donc la longueur utile de transfert dans la chambre d'extraction. Pour éviter ce phénomène de longueur cri ique , les largeurs wl , w2 respectives desdites zones de transfert 31A, 31B sont choisies de manière à vérifier la relation : où η ί est la viscosité dynamique du liquide considéré , et ξ( ί) est un coefficient traduisant la friction à laquelle est soumis le liquide traversant le canal i , Plus un canal est étroit , plus ce coefficient est élevé . Pour les applications visées , ce facteur est généralement compris entre 1 et 5. Dans le cas d ' un canal de section rectangulaire , on a :

ξ(α ι ) =

13) - (64«. Ιπ 5 )tanh(,T /2a,)j

avec , comme précédemment , a. où w, est la

largeur du canal z " et H est la hauteur des canaux, D, et D 2 sont respectivement les débits du liquide porteur et du solvant liquide . Ainsi, la différence de pression dynamique entre le liquide porteur P et le solvant liquide S dans la chambre d' extraction 30 est constante suivant le sens longitudinal de celle-ci.

Il n' y a donc plus de longueur limite pour laquelle la différence de pression dynamique atteint la valeur seuil capillaire et rend l'interface instable.

On obtient alors une chambre d' extraction 30 dans laquelle les interfaces 2 sont stables en tout point. La chambre d' extraction 30 peut donc être d' une grande longueur, ce qui permet d' obtenir une surface utile de transfert particulièrement importante.

De plus, il est particulièrement avantageux que la pression statique de chacun des liquides P , S soit fixée en amont ou en aval de la chambre d' extraction 30, de sorte que les pressions statiques imposées soient sensiblement égales. Ainsi, la variation de la pression étant nulle de part et d'autre de l'interface, cette dernière est très stable, et encore plus particulièrement lorsque 70 °< ( Θ1+Θ2 ) /2<110 ° .

Ainsi, la différence de pression dynamique entre les deux liquides P, S au niveau de l' une quelconque desdites interfaces 2 est donc sensiblement nulle et toujours strictement inférieure à la valeur seuil capillaire 2γ/δ.

Les pressions statiques amont ou aval peuvent être fixées par les moyens 50A, 50B adaptés à faire circuler les liquides dans les microcanaux,, par exemple des pompes pour écoulement microfluidique (figure 1) .

Le micro-extracteur 1 selon le mode de réalisation préféré de l' invention peut être réalisé de la manière suivante, comme il est décrit en partie dans 1' article de Tran et al. intitulé « Micro-extractor for liquid- liquid extraction, concentration and in-situ détection of lead » I RET- 10 : 10th International Conférence on Microreaction, AIchE 2008 pring National Meeting, 6-10 April 2008, New Orléans, USA.

Le substrat inférieur est monolithique et peut être en silicium (Si0 2 ) . Le substrat supérieur peut être en silicium ou en verre.

Les microcanaux 40A, 40B, les zones de transfert

31A, 31B formant la chambre d' extraction 30 et les micro-piliers 32 peuvent être réalisés par des techniques classiques de microtechnologies (par exemple photolithographie suivie d'une gravure) , par exemple par gravure sélective de type DRIE (« Deep Reactive Ion Etching » en anglais) .

Le procédé de gravure par DRIE du substrat inférieur pour réaliser les zones de transfert 31A, 31B et les micro-piliers 32 est identique à celui décrit dans l'article de Tran et al. mentionné précédemment.

Les surfaces des substrats inférieur et supérieur peuvent être traitées par silanisation, de manière à éventuellement modifier les angles de mouillage Θ1 et Θ2 du liquide porteur.

L' assemblage des deux substrats peut être réalisé par des techniques classiques de scellement moléculaire dans le cas silicium/silicium ou de scellement anodique dans le cas silicium/verre. Il peut aussi se faire par sérigraphie de colle.

La hauteur H de la chambre d f extraction 30 peut être comprise entre ΙΟμιτι et 1mm, de préférence entre 50 / um et 500μπι . La longueur peut être de quelques millimètres à quelques centimètres, par exemple être comprise entre 5mm et 10cm.

La largeur wl, w2 des zones de transfert 31A, 31B peut être comprise entre 0.5 et 10 fois la hauteur H.

Les micro-piliers 32 sont sensiblement identiques les uns aux autres. Leur hauteur est égale à la hauteur H de la chambre d' extraction 30. Leur côté ou la diagonale est comprise entre 0,02 et 1 fois la hauteur H. Par exemple, les micro-piliers 32 peuvent présenter un diamètre ou un côté de 30/xm et une hauteur de ΙΟΟμιτι.

Les micro-piliers 32 sont espacés les uns des autres d' une distance â de préférence supérieure à Ιμτη, par exemple quelques microns à quelques dizaines de microns, de préférence de l'ordre de 5 à ΙΟμιη.

Ainsi, la surface d' interface 2 est la surface utile de transfert, qui peut être de quelques millimètres carrés à quelques dizaines de millimètres carrés .

Les liquides P, S sont non miscibles l' un avec l'autre. Le liquide porteur P est avantageusement aqueux, par exemple de l' eau. Le solvant liquide S est avantageusement ionique, par exemple le [BMP] [NTf2] (1- butyl - 1 -méthylpyrrolidinium bis - ( trifluorométhane suifonamidure) ) .

Les deux liquides P, S présentent un débit Dl et

D2 tel que D1/D2 est supérieur à 1, de préférence supérieur à 10 et avantageusement supérieur à 100. Le liquide porteur P peut présenter un débit de 1 à ΙΟμΙ/min et le solvant liquide S un débit de 0.01 à 5/l/min.

Les deux liquides P, S sont choisis, de préférence, de sorte que la moyenne des angles de mouillage Θ1 et Θ2 définis précédemment vérifie la relation 70°< ( Θ1+Θ2 ) /2<110 ° .

La circulation des liquides P, S est obtenue par des pompes seringues et/ou des nanopompes électroniques telles que la Dionex Ultimate 3000.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l' homme du métier à l' invention qui vient d' être décrite, uniquement à titre d' exemples non limitatifs .

Ainsi, la description ne décrit de manière détaillée que le mode de réalisation dans lequel les parois latérales, la paroi inférieure 11, ainsi que les micro-piliers 32 , sont réalisés dans un même matériau constituant le substrat inférieur, alors que la paroi supérieure 21 est une face du substrat supérieur réalisé dans un autre matériau .

Dans ce cas, le premier angle de mouillage θι a été décrit comme l' angle que forme un premier liquide baignant dans un deuxième liquide , au contact du matériau constituant les piliers et la paroi inférieure et le deuxième angle de mouillage θ 2 comme 1' angle que forme ledit premier liquide baignant dans ledit deuxième liquide , au contact du matériau constituant la paroi supérieure .

On comprendra, sans sortir du cadre de la présente invention que les parois latérales , la paroi supérieure 11 , ainsi que les micro-piliers , peuvent selon une première variante du mode de réalisation décrit , être réalisés dans un même matériau constituant le substrat inférieur , alors que la paroi inférieure est une face du substrat supérieur réalisé dans un autre matériau . Selon cette première variante, le premier angle de mouillage θι est l' angle que forme un premier liquide baignant dans un deuxième liquide, au contact du matériau constituant les piliers et la paroi supérieure ; et le deuxième angle de mouillage θ 2 est 1' angle que forme ledit premier liquide baignant dans ledit deuxième liquide, au contact du matériau constituant la paroi inférieure.

Dans une seconde variante du mode de réalisation décrit, la paroi inférieure et la paroi supérieure pourront être réalisées dans un même matériau, et les piliers dans autre matériau.

Selon cette seconde variante, le premier angle de mouillage Q est l' angle que forme un premier liquide baignant dans un deuxième liquide, au contact du matériau constituant les piliers; et le deuxième angle de mouillage θ 2 est l' angle que forme ledit premier liquide baignant dans ledit deuxième liquide, au contact du matériau constituant la paroi inférieure et la paroi supérieure.