Puce-laboratoire : Un micro-mélangeur pour faciliter analyses chimiques et biochimiques

Puce-laboratoire : Un micro-mélangeur pour faciliter analyses chimiques et biochimiques

La mise au point de laboratoires d'analyse miniaturisés tenant sur une puce d'un centimètre carré serait imminente ? De tels « lab-on-a-chip» permettraient d'effectuer des études chimiques ou biochimiques sur des quantités infimes d'échantillons. Des chercheurs de l'Université de Harvard et de l'équipe CNRS* du Laboratoire de physico-chimie théorique ont élaboré une méthode performante pour associer rapidement et efficacement échantillons et réactifs à des échelles microscopiques. Ces travaux font l'objet d'une publication dans la revue Science en date du 25 janvier 2002.

Une puce-laboratoire, aisée à reproduire en grande série et susceptible d'effectuer des analyses sur des quantités d'échantillons allant du picolitre au nanolitre en quelques minutes permettrait l’économie d'une ou deux pièces d'un laboratoire.

En plastique, verre ou silicium, elle consisterait en des réseaux de micro-canaux connectés de dimension latérale de l'ordre de 10 microns, permettant par exemple de mélanger successivement l'échantillon à différents réactifs, puis d'isoler, trier et détecter les produits de cette réaction.

À ces très petites échelles, la mise en œuvre d'une telle technologie nécessite le développement de plusieurs fonctionnalités de base : micro-pompes, micro-valves, micro-mélangeurs, etc...

Le mélange est difficile à réaliser dans ces écoulements miniatures, du fait de l'absence de turbulence à ces échelles. Lorsque deux canaux confluent, leurs flots ne se mélangent pas et circulent côte à côte dans le canal unique résultant de cette fusion. Seule la diffusion thermique peut alors assurer le mélange ; mais celle-ci est habituellement beaucoup trop lente.

Afin de réaliser cette fonction de mélange indispensable pour associer rapidement et efficacement échantillons et réactifs, quelques solutions ont été proposées dans les dernières années. Celles-ci impliquent souvent une microfabrication ou une opération complexe : canaux de formes biscornues, réseaux tri-dimensionnels de canaux, ou canaux transverses activés de façon oscillante.

L’idée développée par Abraham Stroock (Harvard) et Armand Ajdari (CNRS) consiste à réaliser des rainures de petite amplitude sur une seule face du canal, orientées à 45° de l’axe de ce canal. Ceci entraîne naturellement un écoulement hélicoïdal du fluide. Un motif plus élaboré que de simples rainures parallèles, en chevrons alternés, aboutit même à un écoulement où les lignes de courant sont successivement étirées, séparées et repliées. Il en résulte un mélange dit chaotique pendant le transport du fluide, dont l’efficacité est quantitativement démontrée dans la publication.

Une géométrie complexe d’écoulement est ainsi obtenue par une simple gravure du « plancher » du canal, opération extrêmement facile à réaliser avec les techniques de microfabrication développées initialement pour les composants électroniques. Cette solution pourrait donc être intégrée à de nombreux dispositifs.

Cette collaboration se poursuit pour la réalisation d’autres éléments microfluidiques, nécessaires pour une véritable miniaturisation d'équipements de détection ou d'analyse chimique ou biochimique.


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