Manipulation sans contact Jacques Derouard, Prof Université Grenoble I Laboratoire de Spectrométrie Physique [email protected] Résumé Les « manipulations sans contact » de micro-objets biologiques ou d’intérêt biologique reposent sur l’utilisation de forces agissant à distance impliquant des champs électrique ou magnétique, des faisceaux laser, voire des ondes acoustiques. Ces manipulations ont pour but d’immobiliser, étudier, transporter, trier ces particules, et sont souvent associées à des microsystèmes fluidiques. Dans ce « cours d’approfondissement » on présentera les principes physiques à la base de ces manipulations sans contact, en les illustrant par quelques configurations expérimentales. On donnera les ordres de grandeur, et les limites physiques et pratiques. On montrera en particulier comment la taille microscopique des objets rend possible des modes d’action difficilement réalisables sur des objets macroscopiques. Plan Introduction : Quoi, pourquoi, pourquoi faire, comment, avec quoi Forces électriques, magnétique, optique, agissant sur une particule chargée ou non, diélectrique ou magnétique : principes physiques et exemples de configuration de microsystèmes Discussion physique : Paramètres physiques et propriétés électriques et optiques des objets d’intérêt biologique Ordre de grandeur et lois d’échelle Limites physiques Conclusion : comparaison des différentes méthodes Mots-clefs Dielectrophorèse (dielectrophoresis, dielectrophoretic forces) Conséquence de forces exercées par des champs électriques sur des objets non nécessairement chargés électriquement Electrophorèse (electrophoresis) Forces exercées, et leur conséquence sur le mouvement, de particules chargées électriquement en général immergées dans un fluide Forces radiatives (radiative forces) Force exercées sur des particules par la lumière Force de gradient (gradient force) Type de force exercée par un champ électrique, magnétique ou électromagnétique conduisant à attirer une particule vers une zone où l’intensité du champ est maximum, ou, suivant les cas, minimum Pression de radiation (radiation pressure) Type de force exercée par la lumière suivant sa direction de propagation Polarisabilité (polarisability) Caractérise le coefficient entre l’amplitude d’un champ électrique appliqué à une particule et le dipôle électrique qui en résulte, conséquence du déplacement de charges électriques induit à l’intérieur de la particule. Ce coefficient détermine l’intensité de la force de gradient s’exerçant sur la particule. Clausius-Mossotti Relation permettant d’exprimer la polarisabilité d’une particule sphérique en fonction des propriétés électriques (constante diélectrique) de la particule et du milieu ambiant. Indice de réfraction (refraction index) Rapport entre la vitesse de propagation de la lumière dans le vide et dans un milieu matériel. Pour un milieu diélectrique est égal au carré de la constante diélectrique du milieu Permittivité dielectrique (dielectric permittivity) Constante décrivant le rapport entre les grandeurs Evide et Emilieu du champ électrique crée par des sources de champ placées dans le vide, et dans un milieu matériel. Lorsqu’on a affaire à des sources de champ oscillant à une certaine fréquence, cette constante s’exprime en général sous la forme d’un nombre complexe du type Aexp(iφ) , dont le module A est le rapport |Evide / Emilieu | des amplitudes du champ, et la phase décrit le déphasage entre sources et champ. Conductivité (conductivity) Quantité caractérisant le rapport entre le courant induit dans un milieu et le champ électrique appliqué. Dépendance en fréquence (frequency dependence) Concept lié au fait que les caractéristiques électriques et magnétiques d’un milieu dépendent de la fréquence des oscillations des champs appliqués Diamagnétisme (diamagnetism) Terme caractérisant un matériau qui est repoussé par un aimant Paramagnétisme (paramagnetism) Terme caractérisant un matériau qui est attiré par un aimant Magnétophorèse (magnetophoresis) Forces résultant de l’application d’un champ magnétique sur des particules Perméabilité magnétique (magnetic permeability) Comme la permittivité diélectrique, mais avec un champ magnétique Mouvement brownien (brownian motion) Mouvement de particules lié à l’agitation thermique. Correspond à une énergie cinétique valant environ kT quelque soit la taille de la particule, où k est la constante de Boltzmann et T la température absolue Piège (trap) Configuration permettant d’immobiliser une particule en dehors de tout contact mécanique direct Quelques références bibliographiques Forces radiatives, pinces optiques et applications (évoque également les forces électrique et magnétique): A.Jonas et P. Zemanek « Light at work : The use of optical forces for particle manipulation, sorting, and analysis » Electrophoresis 29 4813-4851 (2008) Dielectrophorèse et manipulations au moyen de forces électriques: Y. Huang, R. Hölzel, R. Pethig, et X.B. Wang: « Differences in the AC electrodynamics of viable and non-viable yeast cells determined through combined dielectrophoresis and electrorotation studies » Phys. Med. Biol. 7 1499-1517 (1992) X.B. Wang, Y. Huang, P. Gascoyne et F.F Becker : « Dielectrophoretic manipulation of particles » IEEE Transactions on Industry Applications 33 660-669 (1997) H.P. Hughes AC electrokinetics :applications for nanotechnology. Nanotechnology, 11, 124-132 (2000) http://www.foresight.org/conferences/MNT7/Papers/Hughes/index.html A.B. Fuchs, A. Romani, D. Freida, G. Medoro, M. Abonnenc, L. Altomare, I. Chartier, D. Guergour, C. Villiers, P.N. Marche, M. Tartagni, R. Guerrieri, F. Chatelain N. Manaresi : « Electronic sorting and recovery of single live cells from microlitre sized samples » Lab Chip 6 121-126 (2006) P. Tabeling Introduction à la microfluidique (Belin, 2003) Manipulation au moyen de forces magnétiques, lévitation magnétique : H. Chetouani, C. Jeandrey, V. Haguet, H. Rostaing, C. Dieppedale, J.F. Jacquot, T. Kerlin, G. Reyne : « Onchip magnetophoresis of bioparticles for contamination-free biochemical reactors » IEEE Trans. Magn. 43 1673-1676 (2007) N. Pamme, C. Wilhelm : « Continuous sorting of magnetic cells via on-chip free-flow magnetophorosis » Lab Chip 6 974-980 (2006) Manipulation impliquant des forces radiatives acoustiques : M. Wiklund, C. Günther, R.Lemor, M. Jäger, G. Fuht, H.M. Hertz : « Ultrasonic standing wave manipulation technology integrated into a dielectrophoretic chip » Lab Chip 6 1537-1544 (2006)