Electropréconcentration dans dispositifs nanofluidiques : prédire et démontrer expérimentalement les régimes focalisants

Electropreconcentration in nanofluidic devices : predict and experimentally demonstrate stacking/focusing regimes

• Auteur / Autrice : Fatima Flores galicia
• Direction : Anne-Marie Haghiri-Gosnet, Antoine Pallandre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Fermon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Joseph, Vincent Senez, Catherine Perrin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Joseph, Vincent Senez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Micro-fabrication

Simulation par ordinateur

Électrocinétique (effets d'interface)

Mots clés libres

Nanofluidique

Transport électrocinétique

Simulations COMSOL 2D

Nanofabrication

Nanofluidics

Electrokinetic transport

2D COMSOL Simulations

Nanofabrication

Résumé

La détection d’analytes faiblement concentrés dans des échantillons complexes est un domaine des plus complexes en bioanalyse. L’électropréconcentration basée sur l’effet de polarisation de concentration ionique (ICP) à l’intérieur de dispositifs nanofluidiques apparaît comme une méthode prometteuse pour concentrer et détecter simultanément des biomolécules. L’ICP est induite à travers des nanocanaux qui jouent le rôle de filtre à perméabilité sélective d’ions entre les microcanaux et entraînent des zones d’enrichissement et d’appauvrissement avec une conductivité élevée et faible en entrée ou sortie, du nanocanal, zone où un analyte peut s’empiler et donc se concentrer.Dans ce contexte, l’objectif de mon travail de thèse est d’étudier la préconcentration d’analytes modèles dans des puces h-PDMS/verre incorporant plusieurs nanocanaux verticaux. Je présente des simulations numériques 2D d’électrophorèse d’électrolytes de fond (BGE) et d’espèces ioniques à l’intérieur d’une structure micro/nano/fluidique à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics. Ces modèles permettent d’étudier d’abord l’effet ICP du BGE puis la préconcentration des analytes. Les simulations numériques prédisent les régimes d’empilement cathodique (CS) et de focalisation cathodique (CF) d’analytes anioniques aux interfaces nanofluidiques. Dans le cadre de mon travail expérimental, j’ai étudié le rôle de la longueur et de la largeur des nanocanaux pour trois molécules modèles, la fluorescéine, l’ovalbumine et l’ADN de l’hépatite C. La fluorescéine est préconcentrée/focalisée au niveau du réservoir cathodique grâce à sa grande mobilité et l’ovalbumine et l’ADN se localisent au niveau du réservoir anodique grâce à leur mobilité plus faible.

Detection of low concentrated analytes in complex samples is one of the most interesting challenges in bioanalysis. Electropreconcentration based on ion concentration polarization (ICP) effect inside nanofluidic devices appears as an interesting alternative to simultaneously concentrate and detect biomolecules. ICP is induced across nanochannels that play the role of ion-selective filter between microchannels and results in enrichment and depletion zones with high and low conductivity media on opposite sides of the nanochannel where an analyte can focus and therefore concentrate.In this context, the aim of my PhD work is to study preconcentration of chosen analytes in h-PDMS/glass chips incorporating multiple vertical nanochannels. I present 2D numerical simulations of electrophoresis of background electrolyte (BGE) and ionic species inside a micro/nano/fluidic structure using COMSOL Multiphysics software. These models permits to study first the ICP effect of BGE and then the preconcentration of the analytes. Numerical simulations predict the cathodic stacking (CS) and cathodic focusing (CF) regimes of anionic analytes at nanofluidic interfaces. As part of my experimental work, I studied the role of nanochannel length and width for three model molecules, fluorescein, ovalbumin and hepatitis C DNA. Fluorescein is stacked/focused at the cathode reservoir thanks to its high mobility and the ovalbumin and DNA are preconcentrated at the anode reservoir thanks to their lower mobility.