Développement d'un dispositif microfluidique pour la détection de formaldéhyde à l'état gazeux

Development of a microfluidic device for gaseous formaldehyde sensing

• Auteur / Autrice : Daniel Mariuta
• Direction : Lucien Baldas, Juergen J. Brandner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 20/06/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA en cotutelle avec KARLSRUHE INSTITUTE OF TECHNOLOGY (KIT)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Veit Hagenmeyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Barrot-Lattes, Stéphane Colin, Jens Anders, Jan G. Korvink
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Hanemann, David Newport

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Formaldéhyde

Capteurs d'images CMOS

Microélectronique

Mots clés libres

Optofluidique

Détection de fluorescence

Miniaturisation

Capteur CMOS

Optofluidics

Fluorescence sensing

Miniaturization

CMOS-Image sensor

Résumé

Le formaldéhyde (HCHO), un composé chimique utilisé dans le processus de fabrication d'une large gamme de produits ménagers, est présent en environnement intérieur en tant que polluant atmosphérique en raison de sa volatilité élevée causée par un point d'ébullition bas (T=-19 ℃). La miniaturisation des systèmes analytiques jusqu'à des appareils portables a le potentiel de fournir des outils non seulement plus efficaces, mais aussi plus sensibles pour la surveillance en temps réel de ce polluant atmosphérique dangereux.Cette thèse présente le processus de développement d'un dispositif microfluidique de mesure du HCHO dans l'air, basé sur la méthode de détection du produit de la réaction de Hantzsch, en mettant l'accent sur la composante de détection de la fluorescence.Une large étude bibliographique résumant l'état de l'art dans le domaine de la miniaturisation de la détection par fluorescence a été menée. Sur la base de cette étude, un concept de détection de fluorescence modulaire, conçu autour d'un capteur d'image CMOS (CIS), a été proposé. Deux configurations de cellules fluidiques à trois couches (configuration 1 : quartz – SU-8 3050 – quartz, et configuration 2 : silicium – SU-8 3050 – quartz) ont été développées et testées en parallèle dans les mêmes conditions expérimentales. Les procédures de microfabrication des cellules fluidiques ont été décrites en détail, y compris l'intégration de composants standard et les procédures expérimentales.Le détecteur de fluorescence basé sur le CIS a prouvé sa capacité à détecter une concentration initiale de 10 µg/l de HCHO entièrement dérivé en 3,5-diacétyl-1,4-dihydrolutidine (DDL) pour les cellules fluidiques de quartz et de silicium, toutes deux possédant un volume d'interrogation de 3,5 µl. Un rapport signal sur bruit (SNR) apparent plus élevé a été observé pour la cellule fluidique en silicium (〖SNR〗_silicon=6.1) par rapport à la cellule fluidique en quartz (〖SNR〗_quartz=4.9). L'augmentation de l'intensité du signal dans la cellule fluidique en silicium était principalement due au coefficient d'absorption du silicium à la longueur d'onde d'excitation, a(λ_abs=420 nm)=5∙10^4 cm^(-1) qui est environ cinq fois plus élevé que le coefficient d'absorption à la longueur d'onde d'émission fluorescente, a(λ_em=515 nm)=9.25∙10^3 cm^(-1).Les simulations effectuées dans ce travail à l'aide d'un code de calcul de mécanique des fluides numérique (CFD) ont montré que le HCHO est absorbé très rapidement dans le réactif liquide en raison de sa constante de Henry relativement élevée. Ainsi, le choix de la méthode de piégeage moléculaire (écoulement diphasique en régime de Taylor, écoulement diphasique en régime annulaire ou dispositif basé sur une membrane poreuse séparant les deux phases) dépend de la résolution du détecteur de fluorescence. Un concept préliminaire basé sur l'utilisation d'une membrane poreuse séparant les phases gazeuse et liquide a été introduit pour le piégeage continu du HCHO gazeux, en identifiant les matériaux compatibles, les méthodologies de fabrication et en analysant le mécanisme de diffusion à travers la membrane.Cependant, des détecteurs de fluorescence très sensibles avec de faibles limites de détection pourraient permettre la mise en œuvre de méthodes de piégeage plus simples, par exemple des écoulements diphasiques en régime de Taylor, qui pourraient simplifier et miniaturiser encore plus l'appareil.

Formaldehyde (HCHO), a chemical compound used in the fabrication process of a broad range of household products, is present indoors as an airborne pollutant due to its high volatility caused by a low boiling point (T=-19℃). Miniaturization of analytical systems towards palm-held devices has the potential to provide not only more efficient, but also more sensitive tools for real-time monitoring of this hazardous air pollutant.This thesis presents the development of a microfluidic device for HCHO sensing based on the Hantzsch reaction detection method with an emphasis on the fluorescence detection component.An extensive literature survey summarizing the state-of-the art in the field of fluorescence sensing miniaturization has been performed. Based on this study, a modular fluorescence detection concept designed around a CMOS image sensor (CIS) has been proposed. Two three-layer fluidic cell configurations (configuration 1: quartz – SU-8 3050 – quartz, and configuration 2: silicon – SU-8 3050 – quartz) have been envisaged and tested in parallel for the same experimental conditions. The microfabrication procedures of the fluidic cells have been described in detail, including the off-the-shelf components integration and the experimental procedures.The CIS-based fluorescence detector proved the capability to detect an initial 10 µg/l HCHO concentration fully-derivatized into 3,5–diacetyl-1,4-dihydrolutidine (DDL) for both the quartz and silicon fluidic cells, both possessing a 3.5 µl interrogation volume. An apparent higher signal-to-noise ratio (SNR) has been observed for the silicon fluidic cell (〖SNR〗_silicon=6.1) when compared to the quartz fluidic cell (〖SNR〗_quartz=4.9). The signal intensity enhancement in the silicon fluidic cell was mainly due to silicon absorption coefficient at the excitation wavelength, a(λ_abs=420 nm)=5∙10^4 cm^(-1) which is approximately five times higher than the absorption coefficient at the fluorescence emission wavelength, a(λ_em=515 nm)=9.25∙10^3 cm^(-1).Computational fluid dynamics (CFD) simulations showed that HCHO is absorbed very fast into the liquid reagent due to its relatively high Henry’s law constant. Thus, the selection of the molecular trapping method (Taylor flow, annular flow, or membrane-based flow interaction) depends on the fluorescence detector reading performances. A preliminary concept based on a membrane-based interaction for continuous trapping of gaseous HCHO has been introduced by identifying the compatible materials, fabrication methodologies, and by analyzing the diffusion mechanism through the membrane.In the future, an improvement and simplification based on very sensitive fluorescence detectors with low limits-of-detection could thus be possible based on, e.g., Taylor flow or annular flow.