Integration of a polarizable interface for electrophoretic separation in a microfluidic device

par Qiongdi Zhang

Thèse de doctorat en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Ming Zhang.

Soutenue le 17-12-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Lecoeur.

Le jury était composé de Ming Zhang, Philippe Lecoeur, Gaëlle Lissorgues, Philippe Bergonzo, Pierre Joseph, Wilfried Patrick Uhring.

Les rapporteurs étaient Gaëlle Lissorgues, Philippe Bergonzo.

  • Titre traduit

    Intégration d'une interface polarisable pour la séparation électrophorétique dans un dispositif microfluidique


  • Résumé

    L’électrophorèse est une technique puissante permettant de séparer des biomarqueurs présents dans les liquides biologiques.L’électrophorèse de zone libre transporte des molécules en milieu liquide sous l’influence de deux contributions : le flux électrophorétique et le flux électroosmotique (EOF). C’est ce dernier flux EOF qui permet d’optimiser la résolution analytique de la séparation et donc de simplifier le mélange avant sa détection. Notre équipe a développé un contrôle en temps réel de l’ EOF en intégrant une interface polarisable diélectrique dans un dispositif microfluidique. Le carbone amorphe azoté (CNx avec x=15%) a été choisi comme ce matériau.Comme le CNx ne peut pas être déposé directement sur un substrat de verre à cause de sa faible adhérence, deux matériaux différents ont été proposés comme couche d’accroche : le carbure de silicium (SiC) et le platine (Pt). Nous avons tout d’abord optimisé l’adhésion entre le film CNx et la couche d’accroche SiC par différentes procédures de fabrication. Cependant, en raison d’une faible adhérence, le film CNx s’est rapidement décollé en électrolyte liquide. Par contre, nous avons prouvé que certaines architectures hybrides incluant du Pt dans la couche d’accroche sont incroyablement robustes. Même après deux mois dans une solution millimolaire de KCl, le CNx adhérait toujours au verre sans aucune trace de délamination. Ce dispositif a fourni aussi une grande fenêtre de polarisabilité (de -1V à +1V). Nous avons enfin développé une architecture hybride « couche d’accroche isolée/couche électriquement polarisable/électrodes de grille enterrées/ polymère » afin d’éviter toute perte faradique dans l’électrolyte liquide ou vers les circuits conducteurs du dispositif. A l’issue de ces travaux, nous pensons être en mesure de proposer un composant fluidique complexe et robuste qui permet une modulation en temps réel de l’ EOF lors de migrations électrophorétiques.


  • Résumé

    Electrophoresis is currently an efficient way to separate precious biomarkers from complex mixtures. It takes place to transport molecules under two contributions: the electrophoretic flow and the electroosmotic flow (EOF). The latter allows to optimize the analytical resolution of the separation.Our team has developed a real-time dynamic control of the EOF by integrating a dielectric polarizable interface in the microfluidic device.Amorphous carbon nitride (CNx with x=15%) has dielectric properties and was chosen to be the polarizable interface. Since it cannot be deposited directly onto glass substrate, we have proposed and studied two different materials as the sticking underlayer: silicon carbide (SiC) and platinum (Pt).In the case of SiC, we have optimized the adhesion between CNx film and SiC underlayer through different fabrication procedures.However, due to poor adhesion, CNx film delaminated into liquid electrolyte quickly.Compared to SiC, Pt is a good sticking underlayerfor CNx. It was found out that even after two months in KCl solution, CNx still stuck robustly toPt. Meanwhile, the device provided a large windowof polarizability (from -1V to +1V). Finally, toavoid any faradic loss in the liquid electrolyte ortowards the conductive circuitry of the device, we have developed a sticking underlayer/electrically polarizable/polymeric hybrid architecture. This architecture appears to be the most robust existing polarizable interface for strong and long-term adhesion onto glass substrates.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 17-12-2019


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