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. / 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.

The development and characterization of bipolar electrode (BPE) focusing is described. BPE focusing is an electrokinetic equilibrium technique in which charged analytes are focused and locally enriched on an electric field gradient in the presence of a counter-flow. This electric field gradient is formed at the boundary of an ion depletion zone – the direct result of faradaic reactions occurring at the BPE in the presence of an externally applied electric field. Direct measurement of the electric field strength in the ion depletion region shows that the electric field is enhanced in this region and takes on a gradient shape, confirming the results of numerical simulations. Transient electric field measurements with simultaneous monitoring of a focused fluorescent tracer reveal that the field gradient forms rapidly upon application of the external field and remains stable over time with the tracer focused at a local field strength predicted by simple electrokinetic equations. These transient electric field measurements probe the effect of individual experimental parameters on the electric field gradient and the focused band. The results of these studies indicate that a steeper field gradient leads to enhanced concentration enrichment of the analyte. The slope of the gradient is increased with higher concentration of the running buffer and higher applied field strength. The addition of pressure driven flow across the microchannel moves the location of the field gradient and the position of the focused band. Further enhancement of enrichment is achieved through the suppression of Taylor dispersion after coating the microchannel with a non-ionic surfactant. The findings of these studies have motivated the transition of BPE focusing to smaller microchannels. A decrease in microchannel size not only decreases Taylor dispersion, but also provides access to higher buffer concentration and higher applied field strength, both of which enhance enrichment. The result is a three-order-of-magnitude increase in total analyte enrichment at a much higher enrichment rate. Furthermore, a dual channel configuration for BPE focusing is introduced which provides greater control over focusing conditions. Finally, the formation of ion depletion and enrichment zones at a BPE in a microchannel is shown to mimic ion concentration polarization (ICP) at micro-/nano-channel junctions. This is significant because this faradaic ICP provides a model to which traditional ICP can be compared and is achieved in a more easily fabricated device. In summary, the fundamental principles of BPE focusing are described. A greater understanding of the effect of experimental parameters on the focusing process leads to an unprecedented magnitude and rate of enrichment in a simple device architecture. / text

Les laboratoires sur puce visent à miniaturiser et à intégrer les fonctions couramment utilisées dans les laboratoires d'analyse afin de cibler des applications en santé avec un impact prometteur sur le diagnostic médical au lit du patient. Les membranes poreuses sont d'un grand intérêt pour la préparation et l'analyse d'échantillon sur puce car elles permettent la séparation par taille/charge de molécules, mais également leur pré-concentration. Parmi les matériaux disponibles pour constituer des membranes poreuses, le silicium poreux présente de nombreux avantages tels que le contrôle précis de la taille des pores et de la porosité, une chimie de surface pratique et des propriétés optiques uniques. Les membranes de silicium poreux sont généralement intégrées dans des puces fluidiques en les montant entre deux couches comportant des micro-canaux, formant ainsi des réseaux fluidiques à trois dimensions, peu pratiques et peu adaptés à l'observation directe par microscopie. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé deux méthodes de fabrication de membranes de silicium à pores latéraux qui permettent leur intégration monolithique dans des systèmes microfluidiques planaires. Le premier procédé est fondé sur l'utilisation d'électrodes localement structurées afin de guider la formation de pores de manière horizontale, en combinaison avec des substrats type silicium sur isolant (SOI) pour localiser spatialement la formation de silicium poreux dans la profondeur du canal. La deuxième méthode repose sur le fait que la formation de silicium poreux par anodisation est fortement dépendante du type de dopant et de sa concentration. Bien que nous utilisons encore le même type d'électrodes structurées sur les parois latérales de la membrane pour injecter le courant lors de l'anodisation, le dopage par implantation permet de confiner la membrane, de façon analogue mais à la place de l'oxyde enterré du SOI. Des membranes à pores latéraux ont été fabriquées par ces deux méthodes et leur fonctionnalité a été démontrée en réalisant des expériences de filtrage. En plus de la filtration d'échantillon, les membranes ont été utilisées pour étudier la possibilité d'effectuer de la pré-concentration électrocinétique et de la détection interférométrique. La sélectivité ionique des membranes microporeuse permet la pré-concentration moléculaire avec des facteurs de concentration pouvant atteindre jusqu'à 103 en 10 min en appliquant moins de 9 V. Ces résultats sont comparables à ceux rapportés dans la littérature à l'aide par exemple de nanocanaux avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible. Enfin, nous avons pu détecter une variation de l'indice de réfraction du silicium poreux par le décalage du spectre d'interférence lors du chargement de différents liquides injectés dans les membranes. Le travail présenté dans cette thèse constitue la première étape dans la démonstration de l'intérêt du silicium poreux pour la préparation d'échantillon et la biodétection dans des laboratoires sur puce planaires. / Lab on a chip devices aim at integrating functions routinely used in medical laboratories into miniaturized chips to target health care applications with a promising impact foreseen in point-of-care testing. Porous membranes are of great interest for on-chip sample preparation and analysis since they enable size- and charge-based molecule separation, but also molecule pre-concentration by ion concentration polarization. Out of the various materials available to constitute porous membranes, porous silicon offers many advantages, such as tunable pore properties, large porosity, convenient surface chemistry and unique optical properties. Porous silicon membranes are usually integrated into fluidic chips by sandwiching fabricated membranes between two layers bearing inlet and outlet microchannels, resulting in three-dimensional fluidic networks that lack the simplicity of operation and direct observation accessibility of planar microfluidic devices. To tackle this constraint, we have developed two methods for the fabrication of lateral porous silicon membranes and their monolithic integration into planar microfluidics. The first method is based on the use of locally patterned electrodes to guide pore formation horizontally within the membrane in combination with silicon-on-insulator (SOI) substrates to spatially localize the porous silicon within the channel depth. The second method relies on the fact that the formation of porous silicon by anodization is highly dependent on the dopant type and concentration. While we still use electrodes patterned on the membrane sidewalls to inject current for anodization, the doping via implantation enables to confine the membrane analogously to but instead of the SOI buried oxide box. Membranes with lateral pores were successfully fabricated by these two methods and their functionality was demonstrated by conducting filtering experiments. In addition to sample filtration, we have achieved electrokinetic pre-concentration and interferometric sensing using the fabricated membranes. The ion selectivity of the microporous membrane enables to carry out sample pre-concentration by ion concentration polarization with concentration factors that can reach more than 103 in 10 min by applying less than 9 V across the membrane[TL1]. These results are comparable to what has already been reported in the literature using e.g. nanochannels with much lower power consumption. Finally, we were able to detect a change of the porous silicon refractive index through the shift of interference spectrum upon loading different liquids into the membrane. The work presented in this dissertation constitutes the first step in demonstrating the interest of porous silicon for all-in-one sample preparation and biosensing into planar lab on a chip.