Manipulation de microparticules exploitant la force de diélectrophorèse : applications dédiées au tri d'espèces biologiques et à l'assemblage de nano objets
Résumé
Manipulating dispersed microparticles is a challenging task and can be achieved using dielectrophoresis. The dielectrophoretic force is induced by non uniform electric fields which polarize the dispersed particles. The particles are consequently attracted towards high electric field gradient areas or repelled. The research work has been focused on bioparticle sorting and nanowire/nanotube assembly. We developed a novel dielectrophoretic continuous flow sorter using planar micro electrodes coupled to a channel constriction. This design enables a high particle sorting efficiency at low voltages while relying on a simple fabrication and integration process. We numerically simulated the AC electrokinetic effects and the fluid behavior to predict particle trajectories. Simulation results are in accordance with experimental data: 10 and 5 µm polystyrene beads were continuously sorted with 2% errors at flow speeds of 100 µm/s. To demonstrate the interest of our device for cell sorting, we also sorted dead and living yeast cells according to their different dielectric properties. Living cell concentration was enriched by a factor of 4 versus dead cell concentration after passing the sorting device. We also developed a novel nanowire assembly process which relies on the coupling of DEP driven assembly and capillary assembly. Using this process we were able to assemble oriented nano objects over several cm2 with high accuracy. This integration process allows performing a statistical characterization of the assembled nanomaterials. This research work shows that dielectrophoretic forces can be used to assemble and sort microparticles depending on the device configuration.
La manipulation à grande l'échelle de microparticules dispersées dans une solution peut être réalisée, même si cela reste délicat, en employant la force de diélectrophorèse (DEP). Cette force résulte de la polarisation des microparticules sous l'influence d'un champ électrique non uniforme. L'objectif de ma thèse de doctorat est d'exploiter la force de diélectrophorèse en vue de réaliser un tri ou un assemblage de particules. Le système de tri de particules développé est entièrement fabriqué au sein de la salle blanche du LAAS. Les dimensions et géométries du système ont été déterminées grâce à des simulations préliminaires en utilisant le logiciel COMSOL. Ce système nous a permis de trier et séparer des billes de latex de 5µm et 10µm avec un taux d'erreur inférieur à 2% et un flux d'environ 100µm/s. Nous avons également séparé des levures mortes et vivantes. En effet, les propriétés électriques des levures diffèrent selon leur état de viabilité. Après tri, la portion de cellules viables a été enrichie par un facteur 4. Les erreurs de tri sont principalement dues au fait que les levures ont des tailles inhomogènes ce qui influe sur la force de diélectrophorèse. Les forces de diélectrophorèse permettent aussi d'attirer divers objets vers les zones de fort gradient de champ électrique. Ces travaux se focalisent sur l'assemblage par DEP de nanotubes de carbone et de nanofils de silicium. Nous avons développé un procédé de salle blanche qui permet d'assembler ces objets, à grande échelle, sur des sites spécifiques. Ces objets sont ensuite connectés individuellement en vue d'une caractérisation électrique. L'intégration contrôlée à grande échelle des ces objets est importante en vue d'un éventuel transfert industriel vers les acteurs de la microélectronique. Ce procédé d'intégration à grande échelle (plusieurs cm2) permettra d'avoir une approche statistique lors des caractérisations électriques. Tous ces travaux ont pour but d'étudier le mouvement de particules en solut ion soumises à des champs électriques afin de contrôler leurs mouvements et leur localisation.
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