Développement d'outils analytiques par et pour la microfluidique : caractérisation d'écoulements d'objets dissous et intégration d'un système de séparation sans matrice de biomolécules

par Hubert Ranchon

Thèse de doctorat en Nano-physique, nano-composants, nano-mesures

Sous la direction de Georges Landa et de Aurélien Bancaud.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    L'étude du transport de particules en solution aux nano-échelles est de vaste intérêt et trouve des applications dans des domaines aussi éloignés que la biologie ou la conversion d'énergie. Son étude comporte deux facettes, suivant que l'entité transportée est utilisée comme traceur, auquel cas l'intérêt consiste en la révélation d'un micro-environnement, soit elle constitue l'objet de l'étude, et il importe alors de caractériser sa dynamique dans un environnement contrôlé. Dynamique et transport sont intimement liés. Le premier terme est plus naturellement associé à l'objet individuel. Le second fait quant à lui référence à la masse, à une dynamique globale, une dynamique d'ensemble d'objets. Il n'existe a priori aucune frontière entre les deux, tout juste une différence d'échelle. La physique se joue de cette dualité si bien que le transport de plusieurs est aujourd'hui compris à partir de l'objet unique, et le comportement global est appréhendé via des mécanismes moléculaires. Dans ce travail, nous souhaitons comprendre les propriétés de transport d'objets individuels dilués sous deux formes. La première concerne la dynamique d'objets parfaits pour la caractérisation d'un micro-environnement. La seconde concerne la dynamique d'objets dans un environnement maîtrisé. Nous avons mis en place lors une méthode innovante de caractérisation d'écoulements dans des canalisations sub-micrométriques. Ce travail a impliqué la construction d'un modèle basé sur la densité de probabilité de vitesse de nano-sphères dans des écoulements laminaires. Cette approche a ensuite été validée par dynamique brownienne et mise à l'épreuve pour l'étude d'écoulements dans des nano-fentes fabriquées au laboratoire. Cette comparaison nous a permis de mettre en avant une force de lift géante tendant à faire migrer les particules perpendiculairement aux lignes de champ, un phénomène jusqu'ici non décrit dans la littérature. La poursuite des expérimentations nous a permis de décrire les paramètres influents sur l'amplitude de cette force. Notre attention s'est alors tournée vers l'étude de la dynamique de molécules d'ADN en solution dans des structures confinées, sous un actionnement hybride, à la fois hydrodynamique et électrocinétique. L'utilisation d'un fluide non-newtonien nous a alors permis de mettre en évidence le caractère non linéaire de la superposition des modes d'actionnement. Des stratégies expérimentales ont été spécifiquement développées afin de cartographier des densités de présence inhomogène des molécules dans les canalisations. Cet effet a alors été récupéré pour permettre la séparation de biomolécules par taille sous actionnement hybride. Au demeurant, ce travail expérimental, à la frontière de la physique des fluides, de l'ingénierie de la nano-fabrication, de la physique statistique, nous a permis de construire une méthode innovante de vélocimétrie de particules, la mise en évidence de phénomène de migration transverse d'objets solides et flexibles dans des écoulements aux nano-échelles, et la construction d'un démonstrateur pour la séparation de biomolécules par taille.

  • Titre traduit

    Development of microfluidics analytical tools : charcaterization of dissolved objects flows and integration of a matrix free biomolecule separation system


  • Résumé

    Transport in solution at the nanoscale is of crucial interest for biology or energy conversion. The dynamics of single objects flowing in a liquid, and fluid transport properties are intimately related. Dynamics is mostly associated to the behavior of single object, whereas transport refers to the massive or global dynamics of a set of individuals. The gap in between these two views is very thin, as a global transport can be understood under a scale transformation of the behavior of one single component. This statement constitutes the basis of modern condensed matter physics. In this work we considered the behavior of individual diluted objects transported in solution from two vantages. First the dynamics of single "perfect" objects were investigated toward the characterization of micro-environments. Then, in a second time, we investigated the dynamics of single objects under-controlled environment aiming at elucidating the physical laws describing their behavior. We developed a new method for characterizing sub-micron confined flows. We derived a theoretical model based on nanospheres velocity probability density. This model was validated using in-house Brownian dynamics simulations of particles flowing in laminar Poiseuille flows. These numerical and analytical approaches were confronted to experiments of single nanospheres conveyed in pressure-driven flows in nanofluidic devices. We detected giant lift force, leading to cross-streamline migration away from the wall even at vanishing Reynolds number. These forces are not described in the literature, leading us to characterize their physical properties. We then switched to the study of dynamical properties of DNA molecules in solution in confined environment under an hybrid actuation involving hydrodynamics and electrokinetics. The use of a non-newtonian buffer solution led to observe a non-linear combination of the actuations. Experimental strategies were then developed to map the inhomogeneous transverse probability of density of molecules inside the channels. This specific phenomenon allowed for the design of a new way of resolving biomolecules by size in free solution. Overall, this experimental work at the nexus of fluid physics, micro-fabrication engineering and statistical physics, allowed us for the design of a new nano-velocimetry, and other experimental methods which help us decipher transverse migration of diluted solid and flexible objects in solution. Furthermore, hybrid mode actuation of DNA in non-Newtonian fluids led us to design of new way of separating biomolecules by size. We think that this work is a leap forward for an easy characterization of nanoflows and particle transports at the nanoscale.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (191 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 163-178

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0293
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