Electromouillage bi-fréquence et interférométrie : évaporation et vieillissement biochimique à l’échelle d’une goutte

Joint use of dual-frequency electrowetting and interferometry in a digital microsystem : application to evaporation and surface ageing at drop scale

• Auteur / Autrice : Johannes Theisen
• Direction : Laurent Davoust
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 05/02/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble, Isère, France ; 1992-....) - Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Franz Brückert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Davoust, Yves Fouillet, Agnès Girard-Egrot, Nicolas Faure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Baroud, Vincent Senez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomolécules

Évaporation

Interférométrie

Gouttes

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique digitale

Gouttes

Electromouillage

Interférométrie

Diffusion

Convection

Physico-sorption

Evaporation

Biomolécules

Digital microfluidics

Drops

Electrowetting

Interferometry

Diffusion

Convection

Physico-sorption

Evaporation

Biomolecules

Résumé

La recherche développée durant cette thèse constitue la première étape de développement d’une nouvelle méthodologie de détection sans marquage à l’échelle d’une goutte : un nouveau mécanisme de transduction est développé, basé sur l’actuation par électromouillage bi-fréquence d’un réseau d’ondes capillaires à la surface d’une goutte. La résonance capillaire de la goutte est étudiée par détection interférométrique de son apex en mouvement.La faisabilité de cette méthodologie est prouvée en caractérisant la cinétique d’évaporation de la goutte par glissement spectral des ondes capillaires.La deuxième partie de la thèse porte sur la modélisation du transport de biomolécules tensioactives dans une goutte : le transport diffusif, les processus d’ad/désorption aux surfaces, la condition cinématique d’un rayon variable(évaporation) ainsi qu’une quantité molaire finie de biomolécules sont pris en compte. Un nouveau nombre adimensionnel est proposé pour rendre compte de la taille finie d’une goutte. Puis le transport chimique associé au courant de dérive induit par les ondes capillaires (excitées par électromouillage oscillatoire)est pris en compte à l’aide de simulations numériques. Finalement,l’électromouillage haute et basse fréquence est appliqué au cas d’une goutte enrichie par des molécules d’albumine de sérum bovin. En utilisant conjointement l’interférométrie optique et l’imagerie, et en considérant la loi de Lippmann-Young, le vieillissement biochimique de la surface solide mouillée par la goutte est détecté.

This PhD research is thought of as a first step towards label freedigital biosensing. A novel transduction mechanism is developed, based on thegeneration of capillary waves along a drop surface induced by dual-frequencyelectrowetting. Acapillary resonance is measured by interferometry at the movingdrop apex. Aproof of concept of this electro-optical methodology for furtherintegration in a digital microsystem is given with characterization of drop evaporationkinetics. A second part focuses on modeling and numerical calculationsof the transport of surface active biomolecules in the drop. The model includesdiffusion, ad-/desorption phenomena together with a kinematic condition of avariable drop radius (evaporation) as well as a finite molecular amount of surfaceactive biomolecules. A dimensionless number is suggested to take into accountfinite size effects. Drop steady streaming due to oscillating electrowetting isfinally taken into account. Low- and high-frequency electrowetting is appliedto a drop laden with bovine serum albumin. By jointly using interferometry andimaging, enhancement of surface ageing is made evident under electrowetting.