Etude et réalisation d'un dispositif de séparation acoustique d'espèces microscopiques et de son application à des objets biologiques

Study and realization of a de vice for acoustic separation and its application to biological objects

• Auteur / Autrice : Claire Ratier
• Direction : Mauricio Hoyos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Techniques d'analyse microfluidique

Biotechnologie

Séparation cellulaire

Holographie acoustique

Ultrasons

Résumé

Dans ce mémoire de thèse, nous présentons un nouveau dispositif expérimental de séparation d'espèces de tailles micrométriques en suspension dans une cellule de type Hele-Shaw, utilisant un champ de force acoustique. Nous décrivons théoriquement la force acoustique générée sur des objets micrométriques par une onde stationnaire plane. Nous montrons comment l'utilisation d'un microscope holographique digital nous permet de visualiser in situ l'effet de migration des espèces en suspension selon l'épaisseur du canal causée par la présence d'une onde ultrasonore. Nous caractérisons l'effet de l'onde ultrasonore en fonction de sa fréquence et démontrons l'existence de fréquences de résonances pour lesquelles une onde stationnaire est établie dans le canal, provoquant la focalisation des objets sur les nœuds de pression de cette onde. Des expériences de focalisation de particules de latex nous permettent de déterminer l'ordre de grandeur de l'énergie acoustique moyenne présente dans le canal. Nous réalisons un modèle théorique du séparateur acoustique et décrivons sa mise en œuvre expérimentale sur des particules de latex, puis sur des vésicules. L'étude des distributions dei particules in situ montre la capacité du dispositif à effectuer des séparations binaires rapides et d'excellente qualité. Les résultats d'expériences préliminaires sur des vésicules sont très prometteurs. Nous montrons qu'il est possible de séparer les cellules sanguines grâce à notre séparateur.

In this thesis, we present a new experimental set up for the separation of micron-sized species suspended in a Hele-Shaw cell, using an acoustic force field. We describe theoretically the acoustic force generated on micron-sized objects by a plane standing wave. We show how the use of a digital holographic microscope allows us to visualize in situ the migration of the species across the channel thickness caused by the presence of an ultrasonic wave. We characterize the acoustic force dependence versus frequency and demonstrate the existence of resonance frequencies for which a standing wave is established in the canal, resulting in the focalization of the objects on the nodes of the pressure wave. Focusing experiments of latex particles allow us to determine the value of the average acoustic energy in this channel. We carry a theoretical model of acoustic separation and describe its experimental implementation on latex particles, then vesicles. The study of particle distributions in situ shows the device's ability to perform fast binary separations and with an excellent efficiency. The results of preliminary experiments on vesicles are presented, and show a promising enrichment of the sample. We show that it is possible to separate the blood cells through our separator.