Characterization of microparticles in a microfluidic system through the analysis of electrochemical noise
Caractérisation de microparticules dans un système microfluidique par l'analyse du bruit électrochimique
Résumé
This work is aimed at assessing the possibility to use the electrochemical noise technique in miniaturized systems as an alternative technique to detect and characterize particles (droplets, bubbles, biological cells…). The presence or the passage of a particle between two electrodes immerged in a conductive solution, leads to a change in the electrolyte resistance, Re, measured between these electrodes, which represents the impedance of the system at high frequency. This variation is explained by the fact that the presence of the particle modifies the potential and current fields between the electrodes. It depends on the size, form, position and number of particles between the electrodes. Numerical simulations have been developed in this work to study the influence of these different parameters on the Re value in two different geometries, one with electrodes of millimetric size, the other with microelectrodes inserted in a microfluidic channel. The variations of Re in time due to the passages of spheres of millimetric size as well as oil droplets and air bubbles of micrometric size between the electrodes have been measured using a specific home-made electronic device. An excellent agreement was obtained between the experimental and calculated Re values at both scales. The future work will consist in the characterization of smaller objects (from 100 nm to 10 m) as biological substances or bacteria in smaller microfluidic devices.
L'objectif de ce travail est d’utiliser le bruit électrochimique comme technique alternative pour détecter et caractériser des particules (gouttelettes, bulles, cellules biologiques, …) circulant dans un système microfluidique. La présence ou le passage de particules entre deux électrodes immergées dans un milieu conducteur entraîne une variation de la résistance de la solution entre les deux électrodes. Cette variation de la résistance d'électrolyte, Re, qui est l’impédance en haute fréquence, s'explique par le fait que la présence des particules modifie le champ primaire de potentiel entre les deux électrodes. Elle dépend de la taille, de la forme, de la position et du nombre de particules. Pour étudier l’influence de ces différents paramètres, un modèle théorique appuyé par des simulations numériques a été réalisé pour deux configurations d'électrodes, l'une à une échelle millimétrique avec deux électrodes à disque de diamètre 5 mm positionnées face à face, l'autre avec deux électrodes carrées de côté 100 m positionnées côte à côte dans un canal microfluidique. Pour confirmer ces résultats, les variations temporelles de Re dues au passage de billes, de gouttelettes d'huile et de bulles d'air ont été mesurées en utilisant la technique du bruit électrochimique développée au LISE et étendue dans ce travail aux électrodes micrométriques. Le bon accord entre les résultats théoriques et expérimentaux permet de valider la technique de mesure employée pour caractériser ces entités de taille allant de plusieurs millimètres à des dizaines de micromètres. Cette étude a permis d'identifier la taille des particules détectables pour une configuration et dimension d'électrodes données. Le travail se poursuit pour diminuer la taille du canal microfluidique et des électrodes afin de pouvoir caractériser des objets de taille allant de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres comme les substances biologiques telles que des cellules ou des bactéries.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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