Propriétés optiques, organisation moléculaire et dynamique des interfaces de microgouttelettes par un dispositif de détection optofluidique utra-sensible à large bande spectrale.

Optical Properties, Molecular Organization and Dynamics of Droplets Interfaces using a highly sensitive broadband optofluidic detection.

• Auteur / Autrice : Zain Hayat
• Direction : Abdel Illah El Abed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Photonique Quantique et moléculaire (Cachan, Val de Marne) Cachan
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Ledoux-Rak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdel Illah El Abed, Olivier Français, Bouchta Sahraoui, Bruno Le Pioufle, Yong Chen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Français, Bouchta Sahraoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gouttes

Biotechnologie

Mots clés libres

Membrane bio-Mimétique douce

Microtechnologie

Microtechnologie

Soft-Bio-Mimetic membrane

High throughput detection

High throughput detection

Résumé

La microfluidique diphasique permet la production et la manipulation de millions de gouttelettes hautement monodisperses, chacune d'entre elles peut servir de microréacteur indépendant. Cette technologie offre de grandes perspectives dans de nombreux domaines scientifiques et industriels (principalement en biotechnologie). Les gouttelettes peuvent être produites, analysées et manipulées à très haut débit grâce notamment à des méthodes optiques. De nombreuses études ont été menées pour améliorer cette technologie et ses applications mais une compréhension approfondie des processus dynamiques complexes se produisant à l'interface des gouttelettes et du fluide porteur (huile) n'est toujours pas bien comprise. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés au développement d’une nouvelle approche optofluidique permettant une meilleure analyse de la dynamique et l'organisation moléculaire aux interfaces des gouttelettes dans l’écoulement microfluidique.Notre première étude porte sur la conception et l'utilisation de surfactants photosensibles permettant de stabiliser les gouttelettes et d’induire ensuite leur fusion contrôlée à l'aide d’un laser UV pulsé. La lumière offrant une grande flexibilité, une accordabilité (longueur d’onde et intensité) et une haute résolution spatio-temporelle. Deux approches ont été développées : l’une basée sur la photolyse de molécules photolabiles (processus irréversible) et l’autre basée sur la photo-isomérisation de dérivées d'azobenzène (processus réversible). Le succès de ces deux approches n’était pas évident, car l’irradiation de l’interface à l’échelle microscopique induit des modifications au niveau de la tension interfaciale mais aussi au niveau des processus de diffusion et d’absorption des molécules tensio-actives à l’interface, chacune de ces étapes ajoute une échelle de temps et une distance caractéristique différente. Nos résultats ont permis de déterminer le coefficient de diffusion des surfactants dans la région de l’interface, ainsi que le véritable mécanisme de fusion des gouttes par photo-isomérisation.La deuxième étude porte sur la détection et l'analyse en temps réel des propriétés optiques de l’interface et ce afin de mieux comprendre sa construction, sa dynamique et l'organisation moléculaire dans l’écoulement hydrodynamique. Nous avons pour cela mis au point un système original de détection hautement sensible à large bande, utilisant un réflecteur parabolique ne nécessitant pas l’utilisation de filtres dichroïques. Nous obtenons ainsi une détection en temps réel ultra-sensible de la photoluminescence des gouttelettes sur une large plage spectrale. Nous avons mis en évidence pour la première fois l’apparition d’une émission anti-stokes, thermiquement activée (hot band emission). Celle-ci est principalement localisée au niveau de l’interface. Notre dispositif pourrait constituer un nouvel outil puissant d’analyse permettant de détecter et d’étudier les interfaces liquides avec une très grande résolution spatiale, temporelle et spectrale sans recourir à des techniques complexes d’imagerie et de microscopie optique. Nous montrons par exemple que, contrairement à la microscopie optique, l’émission anti-stokes mise en évidence permet de détecter la formation de vésicules (émulsion double) en temps réel et à très haut débit.Lors de la dernière étude, nous nous intéressons à la diffusion de colorants à travers des bicouches biomimétiques dans des systèmes microfluidiques. Deux approches ont été abordées, celle des bicouches à l’interface de microgouttes (Droplet Interface Bilayer) et celle des émulsions doubles (eau/huile/eau). Nos résultats préliminaires montrent que de tels systèmes constituent de bons modèles pour l’étude du transport de molécules et de médicaments à travers des membranes biologiques.

Droplet microfluidics offers tremendous applications and prospects in many scientific and industrial fields (mainly in biotechnology). The technology enables for the fabrication and manipulation of millions of highly monodisperse microdroplets, each of which may be regarded as an independent micro-reactor. Droplets may be produced, monitored, and manipulated at kHz rates, using mainly optical (optofluidics) methods. Numerous studies have been conducted to improve the technology but a thorough understanding of the complex fundamental dynamical processes occurring at the droplets interface are still not well understood. During this PhD work, we focused on the development of new optofluidics approaches for a better understanding of the dynamics and the molecular organization at the droplets interface during droplets production and droplets transport in microfluidic channels and chambers (traps).Our first study concerned the design and use of a droplet-stabilizing photoactive surfactant for a controlled merging of droplets using a ps UV-laser. This is particularly attractive approach since light provides flexibility, wavelength/intensity tunability and high temporal/spatial resolutions. We investigated two different methods: photolysis of photolabile molecules (irreversible process) and photo-isomerization of azobenzene derived molecules (reversible process). The success of approach was far from trivial, since illumination at the microscale induces changes not only in the dynamics of the interfacial tension but triggers also changes in diffusion and absorption of surfactant molecules at the droplets interface, each partial step adding a typical time and length-scale. Analysis of the measured merging time (found at the ms time scale) allowed for the determination of the diffusion coefficient of surfactant molecules around the droplet interface. Another important result was the first experimental demonstration of the mechanism of the light-driven merging process using photo-isomerization. It was found to rely on a subtle opto-mechanical process induced by the switching between trans and cis isomers of azobenzene surfactant molecules under illumination.In our second study, we focused on the real-time detection and analysis of the optical properties of dyes at the droplets interfaces, in order to better understand the building, the dynamics and the molecular organization of the droplet interface in the flow. For this aim, we developed an original broadband highly sensitive detection system, using an off-axis full VIS spectrum - collection, reflection and detection scheme. Our setup enables to achieve a real-time detection of droplets photo-luminescence over a large spectral range and at the ms timescale and to show for the first time the occurring of a thermally activated hot band anti-stokes shift emission. The later was found to localize mainly at the droplets interfaces. Based on this original result, we propose that our optofluidic system may serve as a new analysis tool to detect and study soft interfaces without the aid of optical imaging/recording techniques. The observed hot band anti-stokes shift is shown to be suitable for instance to detect and discriminate between flowing droplets and vesicles (or double emulsions) in a real-time and high throughput detection mode.In the last study, we were particularly interested in the study of mass transport and diffusion of dyes across biomimetic bilayers systems. Two major approaches were addressed, the droplet-interface-bilayer (DIB) and solvent evaporated water/oil/water double emulsions. Both techniques required rigorous design and micro-fabrication characterization. Preliminary results show that such systems may lead to the development of smart applications in soft-bio-mimetic membrane’s design, mass transport and drug carriers studies.