Development of nanofluidic components applied to filtration and Concentration.
Développements de systèmes micro-nanofluidiques appliqués à la filtration et la préconcentration
Résumé
The researches conducted during this thesis consist in a first step for the development of experimental methods applied to the concentration of nanoparticles using micro-nanofluidic devices. The main aim is to explore different system architectures where the préconcentration step are achieved using steric and/or ion exclusion under the influence of a pressure and/or electric field. A special attention is directed toward the characterization methods including Micro-Particle Image Velocimetry micro-PIV and fluorescent microscopy to measure the nanoparticles repartition and to quantify the concentration folds. The first axis deals with the preconcentration of nanoparticles within « Bypass » like architectures. Concerning the steric filtration, a theoretical model using finite element method allows to predict the rising of a located preconcentration zone where the local concentration is enhanced 1000 fold as compared to the initial concentration after 1h of concentration operation. Silicon Micro-nanofluidic devices were fabricated in order to conduct a parametric study. According to the proposed theoretical model, this study shows that the Peclet number is a key parameter to choose the optimal design and experimental conditions. Concerning the electrokinetic preconcentration, the experiments mainly consisted in exploring the ICP phenomenon (Ion Concentration Polarization) and in using this technic to preconcentrate nanoparticles. Finally the Bypass geometry was tested in many conditions. Thus, the advantageous coupling of electro-hydrodynamic phenomena such as the so called “streaming potential” opens new ways to fast, simple and manual preconcentration systems suitable for LOC applications. The second axis is dedicated to the conception and utilization of original micro-nanofluidic configurations. Will also be studied radial micro-nanofluidic devices offering better stability during electrokinetic preconcentration. On the basis of the performances and limitations inherent to each systems, the last chapter will focus on the potential applications relative to LOC.
Les recherches menées au cours de cette thèse constituent une première étape de développement de méthodes expérimentales de concentration de nanoparticules à l'aide de composants micro-nanofluidiques. L'objectif principal est donc d'explorer différentes architectures de systèmes micro-nanofluidiques où l'étape de concentration est effectuée par effet d'exclusion stérique et/ou ionique sous l'application d'un champ de pression et/ou électrique. Une attention toute particulière a été portée sur les méthodes de caractérisation, comprenant notamment les méthodes de particule Tracking Micro-PIV et de microscopie par fluorescence pour mesurer la répartition en nanoparticules et quantifier les facteurs de concentration. Le premier axe concerne la concentration de nanoparticules dans des architectures de type « Bypass ». Dans le cas de la filtration stérique, une modélisation par méthode de différence finie permet de prédire l'apparition d'une zone localisée où la concentration est d'une centaine à un millier de fois plus élevée que la concentration initiale après une heure d'opération. Des composants micro-nano fluidique en silicium ont été réalisés afin de mener une étude paramétrique. En accord avec le modèle proposé, cette étude montre que le nombre de Peclet est le paramètre déterminent dans le choix du design et des conditions d'expérimentations optimums. Concernant la préconcentration par effet électrocinétique, les expérimentations ont essentiellement consisté à explorer le phénomène d'ICP (Ion Concentration Polarisation) et d'appliquer cette technique pour la concentration de nanoparticules. Enfin le type de géométries « Bypass » a été testé sous différentes conditions. Ainsi, le couplage avantageux de phénomènes électro-hydrodynamiques tel que le « streaming potentiel » permet d'ouvrir la voie à des systèmes de préconcentration à actionnements manuels, rapides et très simples d'utilisation. Le deuxième axe d'étude est quant à lui dédié à la conception et l'utilisation de configuration micro-nanofluidique plus originales. Y sont notamment étudiés des systèmes à configuration radial offrant une meilleure stabilité lors des étapes de préconcentration électrocinétiques. Sur la base des performances et limitations des différents systèmes micro-nanofluidiques réalisés, le dernier chapitre est une mise en perspective des champs d'applications potentiels, notamment pour les laboratoires sur puces.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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