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Manipulation sans contact
Jacques DerouardUniversité Grenoble I
Laboratoire de Spectrométrie Physique
« Manipulation sans contact »
• De quoi?
• Pourquoi et pourquoi faire?
• Avec quoi?
• Comment?
« Manipulation sans contact »
• De quoi?– Objets « d’intérêt biologique »:
• Cellules biologiques
• virus, bactéries
• macromolécules biologiques (protéines, ADN)
« Manipulation sans contact »
• Pourquoi– Evite contamination et/ou dommages
– Adapté à traitement parallèle de nombreux objets
• pourquoi faire?– Transport
– Immobilisation
– Observation, caractérisation
– Tri
« Manipulation sans contact »• Avec quoi?
– Forces « agissant à distance »• Electriques
• Magnétiques
• Optique
• Acoustiques
• Comment?
« Manipulation sans contact »• Avec quoi?
– Forces « agissant à distance »• Electriques: Electrodes
• Magnétiques: Aimants
• Optique: Faisceaux lumineux
• Acoustiques Ondes sonores
• Comment?
« Manipulation sans contact »• Avec quoi?
– Forces « agissant à distance »• Electriques: Electrodes
• Magnétiques: Aimants
• Optique: Faisceaux lumineux
• Acoustiques Ondes sonores
• NB1: Parfois plusieurs modalités combinées
• NB2: Domaine du « Micro-monde » et ses loisd’échelle
• NB3: Milieu liquide et microfluidique
Forces électriques
Forces électriques
• Objet chargé soumis à champ électrique– en milieu « libre »: cf « FACS »
– en milieu liquide: « électrophorèse »
• Objet dielectrique dans champ non uniforme:– « dielectrophorèse »
FACS:Fluorescence Activated Cell Sorting
Electrophorèse
• Force
• Force de frottement en milieu liquide (Stokes)
• Mouvement à vitesse constante
EqFrr
=
VRFV
rrµπ6=
µπR
EqV
6
rr
=
Rayon particule(sphérique)
Viscosité fluide
Permet séparer particules enfonction de leur charge, taille(forme)
Electrophorèse
• Mouvement à vitesse constante
• Application numérique– Eau µ=0,001 SI
– q=1 électron
– R=1 nm
– E=10000 V/m
µπR
EqV
6
rr
=
V=85µm/s
Nécessité d’appliquerde fortes tensions
Diélectrophorèse
• Force s’exerçant sur objet non nécessairementélectriquement chargé plongé dans un champélectrique non uniforme
• cf attraction de bouts de papier par objetélectrisé
Diélectrophorèse
• Sous l’effet du champ la particule se polarise(déplacement de charges à l’intérieur de la particule)
• La particule est attirée (dans ce cas) vers les régionsoù l’intensité du champ est la plus grande
NB: « Magnétophorèse »
• Aimant produit un champ magnétique non uniforme,plus intense tout près de l’aimant
• Objet en fer « s’aimante » en présence de ce champ
• L ’objet est attiré vers l’aimant où le champ est plusintense
• En présence d’un champ uniforme (cf champmagnétique terrestre) objet aimanté peut s’orienter,mais ne se déplace pas
Diélectrophorèse:exemple de système
AC
Zones E intense
Zone E plus faible
AC
L. Yang et al, 2008
SiO2Pt
Diélectrophorèse:exemple de système
Electrode
Gap
Bactéries
25µm
V=3 Volt pic à pic
50kHz
L. Yang et al, 2008
Diélectrophorèse
232 EKRF mdep ∇=rr
επ
Expression mathématique de la force(particules sphériques):
Gradient de (l’intensité)2 du champ électrique
= Variation de E2 par unité de longueur
Diélectrophorèse
• Force ne change pas de signe si E change de signe
• Gradient = (tension appliquée)2 / (distance)3
– Distance ~25µm, petite, donc grand
2E∇2E∇
Marche en AC (élimine effets parasitesélectrophorèse, électrolyse)
Marche avec tensions faibles
Diélectrophorèse
232 EKRF mdep ∇=rr
επ
Expression mathématique de la force:
Permittivité diélectrique du fluide= avec εr~80 pour H20
Rayon particule
90 10.36πεεε r
r =
Diélectrophorèse
232 EKRF mdep ∇=rr
επ
Expression mathématique de la force:
« Facteur de Clausius-Mossotti » (de l’ordre del’unité, mais signe varie suivant le couple particule-fluide et la fréquence de la tension, cf ci-après)
• Si K>0 particules attirées par zones E fort(« pDEP »)
• Si K<0 particules repoussées vers zone E faible(« nDEP »): lévitation de particules dans « piègediélectrophorétique » (équilibre entre force DEPet poids)
Diélectrophorèse
DiélectrophorèseVariation de K avec fréquencepour différents type de cellules
Y. Huang et al, 2001
K>0: pDEP
K<0: nDEP
Diélectrophorèse: variation du signede la force diélectrophorétique
ElectrodeGap
Bactéries25µm
3Volt, 50kHz: pDEP
L. Yang et al, 2008
ElectrodeGap
Bactéries25µm
L. Yang et al, 2008
3Volt, 10kHz3Volt, 1kHz: nDEP 3Volt, 50kHz: pDEP
Dielectrophorèse: variation du signede la force dielectrophorétique
Application de nDEP à transportde cellules sur microsystème
Fuchs, Manaresi et al , 2006
http://www-dsv.cea.fr/var/plain/storage/original/media/File/biopuces_film_02.avi
Application de nDEP à transportde cellules sur microsystème
Fuchs, Manaresi et al , 2006
http://www-dsv.cea.fr/var/plain/storage/original/media/File/biopuces_film_02.avi
Application de nDEP à transportde cellules sur microsystème
Chiou, Ohta et Wu , 2005
Projection optique d’unmotif sur substratphotoconducteur:« électrodes virtuelles »reconfigurables
Application de nDEP à transportde cellules sur microsystème
Chiou, Ohta et Wu , 2005
Forces magnétiques
Magnétophorèse
23 12 BXRF
mmgp ∇=
rr
µπ
Expression mathématique de la force:
Rayon particule
Perméabilité magnétiquedu fluide
Gradient intensitéchamp magnétique
Facteur Clausius-Mossottimagnétique
(Dia)Magnétophorèse
23 12 BXRF
mmgp ∇=
rr
µπ
Expression mathématique de la force:
Pour la plupart des matériaux biologiques X<0:particules expulsées des zones où B est intense
(Dia)Magnétophorèse
Grenouille lévitant dans unebobine magnétique verticale
TB 16=r
Poids
Forcediamagnétique
A. Geim, 1997
(Dia)magnétophorèseVersion micro Chetouani, Haguet, Reyne et al, 2007
(Dia)Magnétophorèse
Pour la plupart des matériaux biologiques X<0:particules expulsées des zones où B est intense
Exceptions:
-globules rouges avec hémoglobine déoxygénée
-cellules marquées avec particules ferromagnétiquesDans ce dernier cas forces relativement énormes!
MagnétophorèseExemple de microsystème: Pamme et Wilhelm, 2006
Forces optiques
Forces optiques« Pression de radiation » du rayonnementsolaire pousse la queue des comètes
Comète Hale-Bopp (1997)
Conséquence de la quantité demouvement du photon p=hν/c
Forces optiques:Pression de radiation
• Absorption, réflexion ou réfraction d’un faisceaulumineux uniforme par une particule
Fr
Fr Déviation des photons répartis
symétriquement par rapport aucentre de la particule conduit àforce résultante dirigée suivantdirection de la lumière
Absorption des photonspousse la particule
• Réflexion ou réfraction d’un faisceau lumineuxd’intensité non uniforme par une particule
Fr Déviation des photons répartis non
uniformément:
force résultante oblique
pousse particule vers zone la pluséclairée
Forces optiques:« Force de gradient »
• Réflexion ou réfraction d’un faisceau lumineuxd’intensité non uniforme par une particule
Forces optiques:« Force de gradient »
232 EKRF optmoptgrad ∇=rr
επ
Même effet que force de diélectrophorèse
Sauf que ε et K n’ont pas du tout les mêmes valeurs
• Réflexion ou réfraction d’un faisceau lumineuxd’intensité non uniforme: Bulle dans un liquide: exemple où K<0
Forces optiques:« Force de gradient »
Fr
Signe de K: cf signe denm-nparticule
Indices de réfraction
En résumé, deux types de forcesexercées par la lumière:
• Pression de radiation: flux de lumièrepousse les particules éclairées
• Force de gradient: attire (en général) lesparticules vers les régions de fortéclairement
Mise en évidence en 1970 par Ashkin sur desmicroparticules avec faisceau laser focalisé
Exemple:guidage et propulsion de particules par lalumière confinée dans un guide optique
SubstratSilicium
Guided’onde
Caméra CCD
Objectif demicroscope
Micro-particules ensuspension dans l’eau
Gaugiran et al 2005
Gaugiran et al 2005
FGRAD
FPrad
laser
FPrad
FGRADFGRAD
FGRAD
Lumière diffusée
F
Guidage et propulsion de particules par la lumièreconfinée dans un guide d’onde optique
Profil intensité lumineuse
Particule
Guidage microparticules de verre (diamètre 1µm)
(Gaugiran et coll., 2005)
Guidage cellules biologiques (levures et bactéries)
(Gaugiran, Colas et coll., 2005)
Tri cellules biologiques (cellules «Jurkat» et bactéries)
(Colas, Gaugiran et coll., 2005)
Utilisation des forces radiativespour immobiliser des particules
• Il faut Fgradient > F pression radiation
• Deux possibilités– Annuler Fpression si 2 faisceaux sens opposés
– Gradient très fort: Faisceau très focalisé(« pince optique », Ashkin 1986))
Piégeage par un seul faisceau focalisé:pince optique
Modulateur spatial de lumière (« SLM »):hologramme digital par réflexion
Permet de « sculpter » le front d’onde: multiples points focaux, dans différents plans, de différentes formes
La lame de cristal liquide se comporte comme une lamebiréfringente de déphasage ajustable par le V appliqué
Application à la manipulations deplusieurs particules simultanément
Chapin et al 2006
Exemple: FACS microfluidiqueavec force optique
Perroud et al 2008
• Poids
• Poids-Archimède
• Force de frottement visqueux
• « Forces sans contact »
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Poids 0,5.10-14 N
• Poids-Archimède 0,5.10-16 à 0,5.10-15 N
• Force de frottement visqueux
• « Forces sans contact »
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Poids-Archimède 0,5.10-16 à 0,5.10-15 N
• Force de frottement visqueux
• « Forces sans contact »
VRFV
rrµπ6=
V=10µm/s FV = 2,4.10-14 N
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Poids-Archimède 0,5.10-16 à 0,5.10-15 N
• Force de frottement visqueux
• « Forces sans contact »
VRFV
rrµπ6=
V=10µm/s FV = 2,4.10-14 N
Force de gravité faible en pratique
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Force de frottement visqueux
• « Forces sans contact »– Diélectrophorèse
– Magnétophorèse
– Forces optiques
VRFV
rrµπ6=
V=10µm/s FV = 2,4.10-14 N
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Force de frottement visqueux
• Force diélectrophorèse:– Tension de 2V sur électrodes espacées de 20µm
(E = 105V/m et gradient( E2 ) = 5.1014 V2/m3)
– Facteur Clausius Mossotti K~1
V=10µm/s FV = 2,4.10-14 N
232 EKRF mdep ∇=rr
επ
Fdep = 2,8.10-13 N
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Force de frottement visqueux
• Force magnétophorèse:– 1Tesla /10µm
– Facteur Clausius Mossotti magnétique X~10-5
V=10µm/s FV = 2,4.10-14 N
Fmgp = 1,6.10-13 N
23 12 BXRF
mmgp ∇=
rr
µπ
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Force de frottement visqueux
• Force magnétophorèse:– NB Avec cellules marquées par des billes
magnétiques, facile d ’avoir des forces 100 ou 1000fois plus grandes
V=10µm/s FV = 2,4.10-14 N
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Force de gradient optique: cf diélectrophorèse
sauf que champ électrique oscille à fréquenceoptique:– εmopt = n2ε0 = (1,33)²ε0 (au lieu de 80ε0 en
diélectrophorèse)
– et
232 EKRF optmoptgrad ∇=rr
επ
03,02 22
22
≈+−
=moptp
moptpopt nn
nnK
Ordres de grandeurParticule « biologique » de diamètre 1µm dans eau
• Force de gradient optique: cf diélectrophorèse
• On joue sur l’intensité de E: 1mW focalisé sur1µm E~6,9.105V/m, gradient E2=4,8.1017 V2/m3
donne
• NB s’extrapole mal si R augmente
232 EKRF optmoptgrad ∇=rr
επ
Fmgp = 1,8.10-13 N
Retour sur diélectrophorèseVariation de K avec type de cellule et
fréquence d’oscillation de EF
acte
ur
de
Cla
usi
us-M
osso
tti
Retour sur diélectrophorèse
• -0,5 < K < 1
• K dépend de la fréquence
• Cellules biologiques vivantes– K<0 à basse fréquence et à haute fréquence
(repoussées par E)
– K>0 à Moyenne fréquence (attirées par E)
Retour sur diélectrophorèse
Facteur de Clausius-Mossotti
mp
mpKεε
εε2+
−=
εp permittivité diélectrique de la particule
εm permittivité diélectrique du milieu fluide (eau+)
Retour sur diélectrophorèse
Facteur de Clausius-Mossotti
mp
mpKεε
εε2+
−=
Si εp >> εm K = 1
Si εp << εm K = -0,5 Mais pourquoi dépend de ω ?
Retour sur diélectrophorèseTenir compte de la conductivité de la matière!
**
**
2 mp
mpeKεε
εε+−
ℜ=
ωσεεε m
rmm
i−= 0*
ωσ
εεε prpp
i−= 0
* Conductivités dela particule et dumilieu fluide
Retour sur diélectrophorèseTenir compte de la conductivité de la matière!
**
**
2 mp
mpeKεε
εε+−
ℜ=
ωσεεε m
rmm
i−= 0*
ωσ
εεε prpp
i−= 0
* A basse fréquence
mp
mpKσσ
σσ2+
−=
Retour sur diélectrophorèse
Facteur de Clausius-Mossotti
Si σp >> σm K = 1
Si σp << σm K = -0,5
mp
mpKσσ
σσ2+
−=
A basse fréquence
Retour sur diélectrophorèse
Facteur de Clausius-Mossotti
En pratique σp >> σm
(cytoplasme milieu salin, tampon non ionique) mais K <0 …?
mp
mpKσσ
σσ2+
−=
A basse fréquence
Retour sur diélectrophorèseTenir compte aussi de la structure de la particule
R
δ
ωσ
εεε prpp
i−= 0
*
ωσεεε m
rmm
i−= 0*
Intérieurconducteur
Milieuextérieur
Membraneisolante εmem
Retour sur diélectrophorèseTenir compte aussi de la structure de la particule
(membrane isolante épaisseur δ +intérieur conducteur)
**
**
2 meff
meffeKεε
εε+−
ℜ=
ωσεεε m
rmm
i−= 0*
+−
−
+
+−
+
+=memp
memp
memp
mempmemeff R
R
R
R
εεεεδ
εεεεδεε
222 *
*3
*
*2*
ωσ
εεε prpp
i−= 0
*
Cf Y. Huang, 1992
Retour sur diélectrophorèseTenir compte aussi de la structure de la particule
(membrane isolante épaisseur δ +intérieur conducteur)
-A très haute fréquence régime purement diélectrique,effets de conductivité négligeable
mp
mpKεε
εε2+
−=
Retour sur diélectrophorèseTenir compte aussi de la structure de la particule
(membrane isolante épaisseur δ +intérieur conducteur)
-A moyenne fréquence impédance de la membranenégligeable, effets de conductivité importants,
mp
mpKσσ
σσ2+
−=
Retour sur diélectrophorèseTenir compte aussi de la structure de la particule
(membrane isolante épaisseur δ +intérieur conducteur)
5,0−≈K
-A basse fréquence impédance de la membranefondamentale
Transition entre basse et moyenne fréquence pour
rCRR memp
1
/4
1
21
1
02
≈⋅≈δεεπσ
ν
Retour sur diélectrophorèse
• K dépend de ω• K dépend des propriétés diélectriques du
milieu et de la particule
• K dépend des conductivités du milieu et dela particule
• K est fortement modifié par la présenced’une membrane isolante autour de laparticule
Cf Y. Huang et al Phys. Med. Biol. 37 1499 (1992)
Retour sur diélectrophorèse
• K dépend de ω• K dépend des propriétés diélectriques du milieu et de la
particule
• K dépend des conductivités du milieu et de la particule
• K est fortement modifié par la présence d’une membraneisolante autour de la particule
Cf Y. Huang et al Phys. Med. Biol. 37 1499 (1992)
Applications possibles au diagnostic et au tri...
Influence de la taille desparticules
• Forces de gradient proportionnelles à R3
• Poids proportionnel à R3
– Rapport indépendant de R
– Mais si R grand il faut relâcher le gradient:
– d’où en pratique une limite maximum à lataille R des particules manipulables
Influence de la taille desparticules
• Forces de gradient proportionnelles à R3
• Force de viscosité proportionnel à R
– Difficile de bouger particule R petit, etdonc limite inférieure à la taille desparticules manipulables
Influence de la taille desparticules
• Forces de gradient proportionnelles à R3
• Energie d’agitation thermique 3/2kTindépendante de R
– Impose une limite inférieure à la tailledes particules immobilisables(augmenter le gradient…)
ConclusionComparaison des différentes méthodes
• Diélectrophorèse
• Magnétophorèse
• Optique
ConclusionComparaison des différentes méthodes
• Diélectrophorèse– Forces intenses
– Permet différenciation de particules
– Compatible avec microsystèmes, pilotage temps réel
– Nécessite implantation électrodes
• Magnétophorèse
• Optique
ConclusionComparaison des différentes méthodes
• Diélectrophorèse
• Magnétophorèse– Ne nécessite pas de source d’énergie
– Non spécifique sauf si marquage par particulesmagnétiques fonctionnalisées
– Force pas facilement modifiable en temps réel
• Optique
ConclusionComparaison des différentes méthodes
• Diélectrophorèse
• Magnétophorèse
• Optique– Souplesse de l’adressage par faisceau optique
– Peu spécifique
– Extrapolation peu favorable aux grosses particules(mais possibilité de jouer sur Plaser)