Manipulation sans contact

Manipulation sans contact
Jacques Derouard, Prof Université Grenoble I
Laboratoire de Spectrométrie Physique
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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
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