Métrologie Terahertz des liquides par microsystème microfluidique

par Simon Laurette

Thèse de doctorat en Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications

Sous la direction de Bertrand Bocquet et de Anthony Treizebré.


  • Résumé

    Cette thèse présente la conception, la caractérisation et l’utilisation d’un microsystème intégrant des fonctions terahertz (THz) guidées. L'interprétation des mesures conduit à la définition d'une métrologie des liquides aux fréquences THz.Ceci est possible par le développement de systèmes robustes, versatiles et sensibles couplant circuits microfluidiques et guides d’ondes THz intégrés. La création d'un procédé technologique compatible avec les processus microélectroniques de fabrication en « salle blanche », et le choix d’une filière silicium/polymère/verre ont permis d’obtenir une résistance à des pressions de plus de 35bar dans des canaux de 50µm de large. De plus, l’assemblage des substrats en amont de la gravure des canaux permet une conception indépendante des circuits électromagnétique et fluidique avec une définition de motifs inégalée pour ce type de microsystèmes. Les mesures réalisées avec ce dispositif ont permis d’atteindre une sensibilité aux protéines de l’ordre de 5mg/mL, état de l’art des dispositifs THz conventionnels, améliorant notablement les performances des dispositifs microfluidiques THz. Cette sensibilité a permis la caractérisation de l’hydratation de protéines en solution. Les calibrations in-situ, assurant l'obtention de mesures quantitatives, permettent d'atteindre leur nombre d’hydratation. Le couplage des mesures avec des techniques de chimiométrie conduit à l’analyse plus fondamentale de la structure et la dynamique de la couche d’hydratation, confrontée avec succès à des modèles numériques. Nous aboutissons à la définition d'un laboratoire sur puce, couplant modélisation, mesures calibrées et interprétation statistique dans le spectre THz, qui par ses caractéristiques propres, contribue à la compréhension des phénomènes d'hydratation. Le véritable apport de cette technologie réside dans ses perspectives pour le suivi des interactions dynamiques nécessaire à une meilleure compréhension du vivant.

  • Titre traduit

    Terahertz metrology on liquids in microfluidic microsystem


  • Résumé

    This work presents the conception, characterization and use of a microfluidic microsystem dedicated to liquid metrology at THz frequencies. First part focuses on developing a versatile and sensitive microsystem, co-integrating microfluidic and THz integrated functions. A glass/polymer/silicon technological process (clean-room process) has been developed and leads to a robust microfluidic network, where 35bar pressures can be reached without leakage. Since wafer bonding is performed before microchannel etching, a strong versatility is obtained for the microsystem conception. Indeed, microfluidic and electromagnetic circuits can be modified independently without changing technological process parameters. Measurements with the microsystem have shown that a 5mg/mL sensitivity is obtained for protein solutions, which is about the state of the art of conventional THz spectroscopy and which increases performances of THz integrated systems. This sensitivity enables to quantify hydration around soluted proteins by computing their hydration number. Moreover, ethanol/water mixtures measurements with the microsystem coupled with chemometrics analysis leads to a better understanding of hydration phenomenon. Dynamics and structure of hydration shells have been characterized in good agreement with Molecular Dynamics models. Thus, the developed microsystem permits a quantitative analysis of liquids in the THz spectrum, dedicated to dynamics interaction understanding in biological processes.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (xiv-203 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 185-199. 174 réf. Liste des publications et communications

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2012-385
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