Academic literature on the topic 'Microfluidique en gouttes'

La microfluidique en gouttes permet l’analyse de systèmes biochimiques à grand débit, en utilisant de faibles volumes réactionnels, à faible coût. Dans l’état de l’art, le volume des gouttes varie entre 2 pL et 4 nL, un millier à million de fois inférieur au volume d’un puit de microplaque. Miniaturiser d’avantage les volumes réactionnels permettrait d’augmenter encore les débits d’analyse, de d’avantage réduire les coûts et ouvre également l’accès à de nouvelles études, telles que les études sur molécule unique ou la délivrance de médicaments. La première partie de ce travail de thèse concerne la miniaturisation des opérations classiques de la microfluidique en gouttes à l’échelle femtolitrique: production, stabilité, biocompatibilité, mélange en gouttes, coalescence, tri, division de gouttes, production à la demande ont été démontrés avec succès sur des gouttelettes femtolitriques. Le tout a été permis en restant dans les limites de la technologie PDMS et des standards classiques de la lithographie. La seconde partie s’intéresse à certaines applications biologiques issues du couplage de gouttelettes picolitriques et femtolitriques. Une plateforme permettant l’encodage in situ de gouttes à l’aide de codes barres d’ADN lisibles par séquençage a été construite. Deux autres applications ont été envisagées: un projet concernant l’émergence des chromosomes dans un monde prébiotique qui nécessitait des facteurs de dilution de l’ordre de 1:1000 et un projet de cartographie génotype-phénotype sur une enzyme qui nécessitait deux dilutions par 10 ont bénéficié de la miniaturisation à l’échelle femtolitrique
Droplet-based microfluidics has demonstrated its multiple advantage over standard microtiter plates technologies by increasing analysis throughputs, decreasing costs and enabling the encapsulation of single cells into individual reservoirs. In the state-of-the-art, droplet volumes usually range from 2 pL to 4nL, one thousand to one million times smaller than microtiter plate wells. This PhD work focuses on the miniaturization of biological reservoirs down to the femtoliter scale which would enable an increase of throughputs of analysis and open up access to new studies, such as single-molecule studies or drug delivery. The first part of this manuscript concentrates on the miniaturization of elementary operations of droplet-based microfluidics down to the femtoliter scale. Production, mixing, electrocoalescence, DEP sorting, splitting, drop-on-demand, stability, biocompatibility were successfully demonstrated on droplets of a few micrometers diameter. The second part of this manuscript focuses on some biological applications that were developed with the LBC. A platform for the in situ encoding of droplets with DNA barcodes readable per sequencing was developped. Two other applications were envisioned: a project studying the conditions that prevailed the apparition of chromosomes in an early RNA world and a genotype-phenotype mapping project benefited from downscaling to the femtoliter scale

Cette thèse présente divers dispositifs fonctionnant sur le principe de la microfluidique diphasique et dédiés aux analyses biologiques.
Dans une première partie, nous décrivons la conception d'un système permettant d'effectuer en flux et sans contamination la réaction de PCR dans des microgouttes transportées par une huile immiscible. Cette étude a débouché sur une plateforme automatisée au débit théorique de 3000 échantillons par jour, égalant les systèmes actuels avec une consommation 50 fois moindre en réactifs.
Dans les parties suivantes, nous présentons deux nouvelles idées pour la manipulation d'objets en microfluidique digitale : l'utilisation de phénomènes hydrodynamiques pour encapsuler des cellules uniques dans des microgouttes et les trier, et l'application de champs électriques pour induire mélange et coalescence de gouttes aqueuses. La combinaison de ces deux méthodes au sein d'une même puce est le premier pas vers un système intégré d'analyse de cellules uniques.

L'usage de gouttes comme microréacteurs movite le développement rapide de la microfluidique de gouttes. En effet, une goutte peut être utilisée pour collecter, transporter et analyser du matériel chimique, biologique ou génétique. Ainsi, la microfluidique de goutte porte la promesse d'une miniaturisation et d'une automatisation sur puce des process actuellement mis oeuvre sur microplaques. Toutefois, l'architecture des dispositifs reste essentiellement sérielle et en opposition avec le format intrinsèquement 2D des microplaques. Ce travail de thèse fournit une nouvelle stratégie de gestion de gouttes sur puce qui permet d'implémenter des procédés de microfluidiques de goutte au sein de chambres bidimensionnelles. Les méthodes mises au point emploient des gradients de confinement pour agir sur les gouttes.

Cette thèse propose une analyse originale des phénomènes de brisure de gouttes et d’action d’un champ électrique dans un système microfluidique. Une première partie présente l’étude d’une goutte traversant une jonction microfluidique. Après avoir identifié trois scénarios possibles – dont deux entraînent la brisure – nous proposons une étude quantitative des comportements observés dans l’espace des variables locales puis des paramètres de contrôle. Ces résultats ont été appliqués à l’extraction de phase en microfluidique. Dans une seconde partie, nous étudions l’effet du champ électrique sur une goutte fortement confinée. La pertinence de l’approche théorique bidimensionnelle est établie sur deux expériences modèles qui analysent l’évolution de la forme d’une goutte confinée sous champ et la variation de vitesse d’une goutte soumise à un champ inhomogène. Enfin, nous appliquons ces résultats au contrôle de gouttes dans des systèmes microfluidiques d’architectures variées.

La microfluidique utilisant les gouttes a connu un essor remarquable ces dix dernières années. Pourtant, la dynamique de ces objets reste largement inexplorée et incomprise. Une question aussi simple que déterminer la vitesse d’une goutte poussée par une phase porteuse à vitesse imposée, ne possède à ce jour toujours pas de réponse. Comprendre et modéliser la vitesse d’une goutte nécessite dans un premier temps de caractériser les mécanismes de dissipation intervenant dans la goutte, dans le ménisque dynamique et dans le film de lubrification.Ce manuscrit présente une étude de la dynamique de films de lubrification en utilisant une technique interférométrique (RICM) qui a dû être adaptée à notre système. Nous montrons dans un premier temps que, dans un cas statique, cette outil permet de mesurer l’épaisseur de ce film nanométrique avec une très grande précision, et que celle-ci est fixée par la pression de disjonction dont la composante principale est électrostatique. Puis, le film de lubrification est étudié dans un cas dynamique. Aux faibles vitesses, l’épaisseur du film est fixée par la pression de disjonction, tandis qu’aux nombres capillaires plus élevés nous montrons qu’un modèle visqueux permet de reproduire nos résultats expérimentaux. Pour une solution micellaire,nous observons une décomposition spinodale permettant d’extraire des propriétés interfaciales (vitesse, contrainte de Marangoni). Enfin, nous avons pu dans un projet fédératif développer une laboratoire sur puce permettant des opérations de manipulation sur des gouttes en utilisant l’intégration de systèmes de chauffage au niveau micrométrique
Digital microfluidics is a growing field of research. However, droplet dynamics remains largely unknown. As an example, a question as simple as predicting the droplet velocity while pushed by an external fluid at fixed velocity is still not answered. Understanding and thus modelizing it requires the identification of dissipation mechanisms in the droplet, in the dynamical meniscus and in the flat film. This thesis presents a study on the dynamical properties of lubrication films using an interferometric method (RICM) that has been adapted to microfluidics. We first show that, in a static case, we are able to measure nanometric film thicknesses with very accurate precision and that it is set by the disjoining pressure, especially the electrostatic part. Then the film is studied when the droplets flow. At low speeds, the film thickness is set by the disjoining pressure, while at higher capilarry numbers we identify a viscous model in agreement with our experimental results. For a micellar solution, we observe spinodal decomposition allowing us to recover interfacial properties (velocity, Marangoni stress). Finally, in a collaborative project, we were able to develop a lab on a chip allowing droplets manipulations taking advantage of micro-heaters integration

La microfluidique de gouttes - i.e. l'emploi de gouttelettes comme microréacteurs - offre de nombreux avantages pour l'étude des systèmes biologiques. Dans ce travail de thèse, nous présentons une nouvelle approche pour la production et la manipulation de gouttelettes au sein de microcanaux afin de suivre l'avancement de réactions biochimiques au cours du temps. Contrairement aux approches existantes, notre dispositif utilise des gradients de confinement afin de produire et guider une unique goutte vers son lieu de stockage. Ce faisant, deux gouttes de contenus différents peuvent être appariées et fusionnées afin de déclencher une réaction chimique. Les réactifs n'étant pas activement mélangés, un front de réaction se propage alors le long de la goutte fille duquel on peut extraire la cinétique de la réaction. Nous commençons par l'étude de réactions simples ayant lieu en une étape. Un modèle 1D de réaction-diffusion permet de représenter la dynamique du front de réaction ce qui est vérifié en confrontant les solutions de ce modèle, obtenues numériquement ou analytiquement, à des mesures effectuées en gouttes. Puis, nous nous intéressons au cas des réactions enzymatiques. Nous démontrons d'abord la parallélisation de notre technique d'appariement de gouttes afin de reproduire en microcanal différents tests enzymatiques usuellement effectués en plaque multipuits. Finalement, nous étudions le cas des réactions enzymatiques rapides à l'aide de notre modèle de réaction-diffusion. Là encore, la comparaison d'expériences tenues en gouttes et de prédiction issues de notre modèle nous permet d'extraire une mesure des paramètres cinétiques de la réaction mise en jeu.

La microfluidique de gouttes est une technologie qui possède un très grand potentiel pour la miniaturisation et l’automatisation des méthodes bioanalytiques conventionnelles. En effet, les nombreuses fonctionnalités présentes en microfluidique de gouttes, telles que la fusion, le tri et l’encapsulation de cellules, permettent de reproduire des protocoles bioanalytiques standards sur de très petits volumes avec des avantages tels que la diminution de la consommation d’échantillon et de réactifs et la diminution du temps d’analyse. Au cours de cette thèse, nous avons développé les protocoles pour deux types d’analyse biologique utilisant la manipulation de particules magnétiques en gouttes de 100 nL.Le premier projet a porté sur l’analyse multiomique de cellules uniques. Nous avons conçu un protocole en microfluidique de gouttes permettant la séparation de l’ARNm et l’ADN d’un échantillon complexe : du mélange d’ADN et d’ARN pré-purifiés à une suspension de moins d’une dizaine de cellules entières. A chaque étape, les performances du système en gouttes ont été évaluées et les résultats comparés avec les extractions effectuées en tubes de manière non-microfluidique. Les résultats obtenus sont prometteurs car ils démontrent pour la première fois dans un tel dispositif la séparation séquentielle de l’ADN et de l’ARNm à partir de lysat cellulaire ou de quelques cellules entières encapsulées et lysées en gouttes.Le second projet concerne la préparation d’échantillon en gouttes pour l’analyse par spectrométrie de masse MALDI-TOF. Ce projet a été mené en collaboration avec des chercheurs du CEA Saclay qui ont montré qu’il y a un intérêt important à déposer les échantillons sur des plaques MALDI sous forme de gouttes pour augmenter la sensibilité de détection grâce à un effet de concentration. Nous avons mis en place un système automatisable qui permet de coupler la microfluidique de gouttes à la spectrométrie de masse MALDI-TOF : de la digestion enzymatique supportée en goutte au dépôt sur plaque avec pré-concentration de l’échantillon cristallisé. Le développement a été fait avec le lysozyme comme protéine modèle et notre protocole permet d’identifier la protéine par empreinte de masses peptidiques à partir de 200 fmol de protéine avec une bonne fiabilité
Droplet microfluidics is a technology with a huge potential for miniaturization and automation of conventional methods in bioanalysis. Indeed, droplet microfluidics has many functionalities, such as merging, sorting and cell encapsulation, that can reproduce manipulations in standard protocols in bioanalysis on very small volumes with advantages such as a low samples and reagents consumption and reduction of analysis duration. During this thesis, we developed protocols for two types of biological analysis, using magnetic particles manipulation in 100 nL droplets.The first project is about single cell multiomics analysis. We implemented a droplet microfluidics protocol for the separation of mRNA and DNA from complex samples: from a mix of pre-purified RNA and DNA to a suspension of less than ten cells. At each steps, the droplet system performances were evaluated and the results were compared to extractions made in tubes in a non-microfluidics way. The results are very promising since they demonstrate for the first time in such a system the sequential separation of DNA and RNA from cell lysate or a few cells encapsulated and lysed in droplets.The second project is about the sample preparation in droplet for MALDI-TOF mass spectrometry analysis. This project was built in collaboration researchers from CEA Saclay. They have shown that it is very interesting to deposit samples in droplets on MALDI plates to increase the detection sensitivity thanks to a focusing effect. We have implemented on an original integrated droplet microfluidic approach for protein analysis by MALDI-TOF MS: from in drop sample preparation by supported enzymatic digestion to on plate deposition and peptides local pre-concentration. Development was done with lysozyme as a model protein and thanks to our in-drop digestion and deposition protocol we identified this protein by mass fingerprint from 200 fmol protein with a good reliability

La miniaturisation est devenue un concept puissant influençant la plupart des disciplines scientifiques. Révolutionnant au départ l’électronique et l’informatique, elle s’est alors étendue aux domaines de la microélectromécanique et plus récemment à ceux de la microfluidique. Le travail réalisé dans cette thèse touche aux trois principaux domaines de recherche de la microfluidique en gouttes: la physique, la science des matériaux ainsi que les applications de criblage. Des modules et des principes novateurs pour la manipulation de gouttes ont été développés et caractérisés. Un module permet de trier des gouttelettes suivant leur différence de taille plutôt que selon leur contenu. Un autre développement concerne un module original de synchronisation de gouttes qui peut créer des paires de gouttes avec une précision quasi parfaite. Le module présentant le plus large intérêt est probablement le développement d’une ligne de délai pour une incubation sur puce. Grâce à ces efforts, il a donc été possible d’intégrer plusieurs modules en gouttes fonctionnant l’un avec l’autre sur une puce unique, afin de créer des dispositifs complexes utiles pour les applications de criblage comme par exemple, l’évolution dirigée d’enzymes. Un autre développement concernant les applications de criblages est un système de dilution permettant de générer plusieurs ordres de grandeur de concentrations d’un composé pour réaliser des criblages à haut débit avec des données statistiques de qualité largement supérieure aux méthodes conventionnelles. En plus la microfluidique en gouttes a été utilisée pour synthétiser des nano-particules d’oxyde de fer via une réaction très rapide et aisément contrôlable
Miniaturization has become a powerful concept influencing almost every scientific discipline. Initially revolutionizing electronics and computing, it has soon expanded into the microelectromechanical and more recently microfluidic fields. Here, channels which are often thinner than a human hair are used to manipulate micro- to picoliter amounts of reagents to reduce costs and increase sensitivity by the special mechanisms present at these size scales. The work performed within this thesis involves physics, material sciences and screening applications. Novel droplet manipulation modules and principles have been developed and characterized. One module enables to sort droplets by size differences rather than on its content. Another development concerns a novel droplet synchronization module which can create droplet pairs with an almost perfect accuracy. Probably the most broadly useful module is the development of an on-chip incubation delay-line. Due to these efforts it was possible to integrate several dropletbased modules functionally with each other on a single chip, in order to create complex devices useful for screening applications as e. G. Directed evolution of enzymes. Another development concerning screening applications is a dilution system enabling to adjust and ramp concentrations of a compound over several orders of magnitude, allowing to perform quantitative high-throughput screening with a statistical data quality far in excess of conventional methods. Additionally to these biological applications the microfluidic droplets have been used to synthesize superparamagnetic iron-oxide nano-particles in a very fast and well controllable reaction

Les écoulements de trains périodiques de gouttes monodisperses confinées dans des microcanaux sont largement utilisés pour diverses applications haut-débits en microfluidique digitale. Pour cela, il est nécessaire de réaliser différentes opérations sur ces gouttes comme les fragmenter, les fusionner ou les trier. Dans ce manuscrit, nous discutons de trois de ces opérations expérimentalement et théoriquement. La première concerne l’encapsulation d’un train de gouttelettes dans des gouttes. Nous étudions la dynamique d’encapsulation et nous présentons une nouvelle méthode d’encapsulation. Par suite, nous investiguons deux modes de fragmentation de gouttes, tous deux influencés par des interactions hydrodynamiques entre gouttes consécutives dans un train. Enfin, nous cherchons à comprendre la sélection du chemin suivi par des gouttes à des bifurcations successives
Flows of periodic trains of monodisperse drops confined in microchannels are widely used for numerous high-throughput applications in digital microfluidics. The development of such applications requires performing and combining various operations on these drops like breakup, fusion or sorting. In this manuscript, we study experimentally and theoretically three of these operations. We first discuss the encapsulation of a train of droplets inside drops, focusing on the encapsulation dynamics. Also, we present a new way to encapsulate drops to produce double emulsions. We then investigate two ways to break drops against micro-obstacles, both being influenced by hydrodynamics interactions between two consecutives drops in a train. Lastly, we report the investigation of the path selection of drops at successive bifurcations

Cette thèse a pour objectif de montrer de nouvelles possibilités de contrôle lumineux sur des systèmes biochimiques et physico-chimiques à l'aide de tensioactifs cationiques photosensibles. Leur groupement diazobenzène peut subir une photoisomérisation trans-cis réversible qui est à l'origine d'une modi cation de polarité, exploitée en particulier pour l'une de ces molécules appelée AzoTAB. La mise en présence d'ADN, d'AzoTAB et d'un milieu d'expression génétique in vitro a d'abord permis de montrer que le niveau de production d'une protéine pouvait être accru après illumination UV. Le changement de polarité photoinduit provoque ici une modifi cation de la conformation de l'ADN et l'ARN et ce qui change les vitesses des réactions de transcription et translation. A travers la synthèse de deux nouveaux analogues de l'AzoTAB comportant une queue plus hydrophobe, c'est aussi une amélioration de la concentration de molécules nécessaires à la transition de conformation de l'ADN qui a été évaluée. Ensuite, la déformation et la rupture photoinduite de vésicules géantes unilamellaires (GUV) dans un bain d'AzoTAB a été étudiée suivant leur composition. La formation de GUV relativement monodisperses a aussi été effectuée, grâce au dépôt contrôlé d'une multicouche de phospholipides sur du silicium plan microstructuré. La polarité photodépendante de ce tensioactif a enfi n été exploitée pour modi fier localement l'énergie d'une interface. D'une part à travers la photomanipulation d'une goutte d'huile millimétrique fl ottant sur un bain d'AzoTAB. D'autre part dans un dispositif microfl uidique, où la fragmentation par la lumière d'un écoulement biphasique laminaire en microgouttes a été montrée, avec une sélectivité spatiale.