Développement de procédés fluidiques pour la manipulation de micro et nano objets et de biomolécules

Development of fluidic process for the micro nano objects and biomolecules manipulations

• Auteur / Autrice : Qihao Hé
• Direction : Aurélien Bancaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro-nanosystèmes
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse de désorption de plasmas

Nanoparticules

Micromanipulation

Microfluidique

Mots clés libres

Micro nano fabrication

Auto assemblage

Manipulation de biomolécules

Micro et nano fluidique

Hydrogel

Résumé

Le champ d'application des microsystèmes n'a cessé de s'élargir pendant les quinze dernières années en particulier vers la communication ou vers les biotechnologies. Pour augmenter les fonctionnalités des microsystèmes, l'utilisation de nano-objets semble devenir une voie incontournable, mais qui butte souvent sur des problèmes mes de manipulation spatiale visant à les intégrer dans une architecture fonctionnelle. Pour résoudre ces problèmes d'intégration, l'utilisation de phénomènes d'assemblage dirigé, c'est à dire des phénomènes physiques permettant de manipuler collectivement des nano-objets semble très prometteuse. Dans ce contexte, l'objectif de notre thèse a été de concevoir des outils fluidiques innovants capables de réaliser des opérations de manipulation spatiale ou conformationnelle de nano-objets ou de molécules. Il s'agit d'une recherche pluridisciplinaire à la frontière entre la micro- et nano-fabrication, la micro- et nano-fluidique, la biologie moléculaire, l'imagerie de molécules individuelles, et la biophysique. La thèse est composée de deux projets assez indépendants : une étude de nanofluidique pour le contrôle conformationnel de chromosomes issus de cellules vivantes, et un travail de microfluidique sur un phénomène d'assemblage spontané sur gel hydrophile. Dans un premier temps, nous décrivons un procédé de fabrication d'hydrogels structurés, et nous montrons que ces hydrogels constituent un support efficace pour organiser spatialement des nano-objets. Ce phénomène d'organisation est spontané, et il se produit lors du séchage du liquide. Nous avons donc voulu comprendre les mécanismes fluidiques ayant lieu au cours du séchage en utilisant des traceurs fluorescents. Nous identifions plusieurs phénomènes expliquant les phénomènes d'organisation spatiale de particules, et nous proposons des applications pour ce procédé innovant. Grâce aux dispositifs nanofluidiques que nous avons fabriqués, nous menons des expériences de manipulation de molécules d'ADN individuelles en milieu confiné. Nous analysons le comportement de l'ADN - son élongation, sa mobilité, l'effet de la salinité, le rôle du matériau dans lesquels le nanocanaux sont inscrits - en utilisant deux modes d'actionnement, à savoir l'électrophorèse et l'hydrodynamique, et nous montrons, pour la première fois, l'intérêt de l'hydrodynamique pour la manipulation d'ADN dans des nanostructures. Nous proposons enfin quelques applications pour ce procédé de manipulation d'ADN innovant.

The applications of microsystems has steadily widened over the last fifteen years in particular to communication or biotechnology. To increase the functionality of microsystems, the use of nano-objects seems to be an inevitable path, but often exposed to integrate them into a functional architecture. To solve these problems of integration, the use of directed assembly phenomena, ie the physical phenomena to manipulate nano-objects collectively seems very promising. In this context, the objective of our thesis was to develop tools capable of realizing innovative fluid handling operations or conformational space of nano-objects or molecules. This is a multidisciplinary research at the frontier between micro and nano-fabrication, micro-and nano-fluidics, molecular biology, imaging of individual molecules, and biophysics. The thesis consists of two relatively independent projects: a study of nanofluidics for the conformational control of chromosomes from living cells, and work on a microfluidic phenomenon of spontaneous assembly on hydrophilic gel. At first, we describe a method for producing structured hydrogels, and we show that these hydrogels are an effective medium for spatially organize nano-objects. This organization is spontaneous, and it occurs during the drying liquid. We wanted to understand the mechanisms of fluid during drying using fluorescent tracers. We identify several phenomena explaining the phenomena of spatial organization of particles, and propose applications for this innovative process. Thanks to nanofluidic devices that we have made, we conduct experiments manipulating individual DNA molecules in a confined environment. We analyze the behavior of DNA - its extension, its mobility, the effect of salinity, the role of the material in which the nanochannels are fabricated - using two operating modes, namely electrophoresis and hydrodynamic , and we show, for the first time, the interest of hydrodynamics for DNA manipulation in nanostructures. Finally, we propose some applications for this method of manipulating DNA innovative.