Plateforme microfluidique digitale pour échantillons gazeux

Microfluidic platform for gaseous samples

• Auteur / Autrice : Antoine Enel
• Direction : Didier Thiébaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Analytique
• Date : Soutenance le 10/11/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie Biologie et Innovation - Chimie Biologie et Innovation
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Sablier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Thiébaut, Michel Sablier, Khalifa Aguir, Valérie Peulon-Agasse, Yanxia Hou-Broutin, Franck Baco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khalifa Aguir, Valérie Peulon-Agasse

Mots clés

Mots clés libres

Micropréconcentrateur

Microfluidique digitale

Gaz

Miniaturisation

Préparation et analyse d’échantillons gazeux

Micropreconcentrator

Digital microfluidics

Gas

Miniaturization

Gas samples preparation and analysis

Résumé

La microfluidique consiste en la manipulation de fluides dans des canaux de taille micrométrique ou submillimétrique. Une branche de la microfluidique s’est particulièrement développée ces dernières années, la microfluidique digitale, qui consiste en l’utilisation d’opérations simples, synchronisées et programmables pour réaliser des opérations plus complexes sur des objets microfluidiques. En microfluidique liquide, les objets manipulés sont en général des gouttes formées à l’aide de deux fluides non miscibles.Quatre grandes opérations élémentaires sont employées : déplacer les échantillons, les immobiliser, les mélanger et les séparer. Ces opérations élémentaires peuvent ensuite être combinées pour réaliser des opérations plus complexes, telles que l’analyse d’échantillons ou leur traitement. Des opérations plus originales sont aussi possibles, telles que la réalisation de portes logiques avec des cartes microfluidiques.Toutes les avancées de la microfluidique digitale ont été réalisées en employant des objets microfluidiques liquides dispersés dans une phase liquide. Précédemment, les travaux sur des gouttes ont été évoqués, mais des travaux avec des bulles ont aussi été publiés. A notre connaissance aucun travail n’a concerné la manipulation d’échantillons gazeux dans une phase gazeuse.L’objet de cette thèse est de développer une plateforme microfluidique digitale pour la manipulation des échantillons gazeux dispersés dans des phases continues gazeuses.Pour cela, des microcomposants en silicium ont été développés au laboratoire : les micropréconcentrateurs. Ces composants comportent une cavité remplie par un adsorbant capable de piéger à froid les composés chimiques et de les libérer à chaud. Une résistance chauffante gravée sur la face arrière du concentrateur permet de contrôler sa température.Ces micropréconcentrateurs peuvent être assemblées dans un circuit fluidique, en y ajoutant des pompes pour créer des flux de gaz, des vannes pour contrôler et diriger les flux, et des micro-détecteurs à conductivité thermique développés au laboratoire.A l’aide de ce montage, les quatre opérations élémentaires de la microfluidique digitale ont pu être démontrées. Une opération plus complexe a pu être réalisée : la mesure du volume de perçage de plusieurs alcanes linéaires sur le Tenax TA, l’adsorbant utilisé dans les concentrateurs. Les résultats ont été publiés dans Lab on Chip1.D’autres opérations plus complexes sont en cours d’étude : la séparation d’un échantillon, pour l’instant difficile à réaliser et à modéliser, la possibilité de réaliser des réactions chimiques en ligne en phase gaz (estérification) ou la préconcentration digitale. Cette dernière, plus avancée, repose sur l’utilisation de plusieurs préconcentrateurs pour la détection de composés volatils à l’état de traces dans un échantillon: dans une première étape le composé est capté et concentré sur un premier préconcentrateur avec un flux inférieur au volume de perçage, puis transféré ponctuellement, dans une deuxième étape, vers un deuxième préconcentrateur placé sur un autre chemin fluidique ; ce second préconcentrateur n’est donc pas balayé par le flux de prélèvement et le volume de gaz mis en œuvre dans cette seconde étape est très inférieur à celui qui est nécessaire à la première. En répétant les étapes de prélèvement et de transfert, il est alors possible d’augmenter fortement le facteur de préconcentration de ce montage sans risquer le perçage du composé. Ce fonctionnement a donc l’avantage de s’affranchir du volume de perçage : il suffit que le premier concentrateur arrive à piéger l’échantillon, même peu efficacement, pour pouvoir augmenter le facteur de concentration en répétant les opérations. Ceci permet la détection de composés très volatils qui ne le seraient pas en une seule étape de préconcentration.

Microfluidics is the manipulation of fluids in channels of micrometer or submillimeter size. One branch of microfluidics has developed particularly in recent years, digital microfluidics, which consists in the use of simple, synchronized and programmable operations to perform more complex operations on microfluidic objects. In liquid microfluidics, the manipulated objects are usually drops formed with two immiscible fluids.Four main elementary operations are used: moving the samples, immobilizing them, mixing them and separating them. These basic operations can then be combined to perform more complex operations, such as sample analysis or processing. More original operations are also possible, such as the realization of logic gates with microfluidic cards.All the advances in digital microfluidics have been achieved by using liquid microfluidic objects dispersed in a liquid phase. Previously, work with drops has been mentioned, but work with bubbles has also been published. To our knowledge, no work has been done on the manipulation of gaseous samples in a gaseous phase.The aim of this thesis is to develop a digital microfluidic platform for the manipulation of gaseous samples dispersed in continuous gaseous phases.For this purpose, silicon microcomponents have been developed in the laboratory: the micropreconcentrators. These components include a cavity filled with an adsorbent able to trap chemical compounds when cold and to release them when hot. A heating resistor engraved on the back of the concentrator allows to control its temperature.These micro-preconcentrators can be assembled in a fluidic circuit, adding pumps to create gas flows, valves to control and direct the flows, and thermal conductivity micro-sensors developed in the laboratory.With this setup, the four basic operations of digital microfluidics could be demonstrated. A more complex operation could be performed: the measurement of the piercing volume of several linear alkanes on Tenax TA, the adsorbent used in the concentrators. The results have been published in Lab on Chip1.Other more complex operations are being studied: sample separation, which is currently difficult to perform and to model, the possibility of performing chemical reactions in the gas phase (esterification) or digital preconcentration. The latter, more advanced, is based on the use of several preconcentrators for the detection of trace volatile compounds in a sample: in a first step the compound is captured and concentrated on a first preconcentrator with a flow lower than the piercing volume, and then transferred punctually, in a second step, to a second preconcentrator placed on another fluidic path; this second preconcentrator is thus not swept by the sampling flow and the volume of gas implemented in this second step is much lower than that needed for the first one. By repeating the sampling and transfer steps, it is then possible to greatly increase the preconcentration factor of this setup without risking the breakthrough of the compound. This operation has the advantage of not having to worry about the volume of the sample: the first concentrator only needs to trap the sample, even if it is not very efficient, to be able to increase the concentration factor by repeating the operations. This allows the detection of highly volatile compounds that would not be detected in a single preconcentration step.