Thèse doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 177-188.

Thèse de doctorat : sciences. Micro et nanotechnologie : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2007. / 197 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Micro et nanotechnologie : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. 197 réf.

Thèse de doctorat : Sciences chimiques. Physico-chimie de la matière condensée : Bordeaux 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse de doctorat : Sciences de l'Ingénieur. Génie des Procédés : Strasbourg 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

Il existe un besoin industriel croissant de nouvelles technologies capables de manipuler des objets à l’échelle micrométrique (1-1000 μm). Dans cette thèse, une technique originale d’actionnement sans contact pour la manipulation d’objets à l’échelle micrométrique est proposée. Elle est basée sur les écoulements thermocapillaires convectifs induits par un laser pour manipuler des particules à l’interface fluide/gaz. Le laser chauffe localement la surface de l’eau, ce qui induit un gradient de tension de surface. Ce gradient génère un écoulement fluidique. Ces écoulements sont rapides et localisés, ce qui confère des performances intéressantes à cette technique d’actionnement. Les particules sont manipulées à l’interface fluide/gaz, où l’écoulement généré est le plus rapide.Pour assurer le positionnement précis d’une particule, des contrôleurs en boucle fermée sont implémentés dans le système. Ils sont basés sur les modèles développés dans cette thèse. Des essais expérimentaux montrent que le positionnement précis de particules peut être assuré. De plus, les forces d’interaction entre des particules placées à l’interface ont été étudiées, et une stratégie de contrôle a été proposée, en vue de la manipulation en parallèle de plusieurs particules. Tant les études analytiques et les simulations numériques que les tests expérimentaux soulignent l’intérêt des écoulements thermocapillaires pour la manipulation contrôle d’objets micrométriques. Cette technique est donc une alternative prometteuse aux approches classiques d’actionnement sans contact. / There is an industrial need for new technologies that can manipulate objects in the micrometric scale (1-1000 μm). In this thesis, an original non-contact actuation technique for the manipulation of microscale objects is proposed. The proposal is to use laser-induced thermocapillary convective flows to manipulate particles at the fluid/gas interface. These flows are generated when a surface tension stress is generated at the fluid/gas interface due to a thermal gradient. Laser heating is used because the generated thermal gradients produce fast, localized flows that improve the actuation performance. The particles are manipulated at the interface because the flow generated there is the fastest in the entire fluid.To ensure the precise positioning of a particle, closed-loop controllers are implemented in the system which are designed based on models proposed for the system. Experimental tests are performed that show that positioning precision can be ensured. In addition, the interaction forces between particles have been studied which is a preliminary step towards parallel manipulation. To counteract those forces during the manipulation, a different control strategy has been proposed, implemented and tested. Overall, the results obtained are comparable to the ones obtained with the other techniques. Therefore, the proposed technique can be considered as an attractive alternative that offers different advantages and disadvantages.

Depuis que l’optofluidique a été introduite au début des années 2000, beaucoup de dispositifs combinant à la fois l’optique et la microfluidique ont été développés. Ces travaux ont proposé de nombreuses voies originales pour l’analyse biologique et le diagnostique médical. Parmi ceux-ci, citons par exemple, les guides d’ondes liquide-liquide (également appelés guides d’ondes L2), les lentilles liquides adaptatives, les lasers multicolores à microgouttes, ou encore les microscopes optofluidiques sans lentilles.Ces systèmes offrent de nombreux avantages liés à la microfluidique comme leurs flexibilités et leurs accordabilités. Néanmoins, la plupart de ces systèmes reposent sur l’utilisation d’une source de pompage optique externe devant être couplée aux puces microfluidiques avec le plus grand soin.Le but de ces travaux de thèse est d’augmenter l’autonomie et la portabilité des systèmes optofluidiques en intégrant directement la source lumineuse sur les puces. Nous proposons donc ici d’exploiter la voie électrochimiluminescente comme méthode de pompage électrique. L’annihilation du luminophore 9,10-Diphenylanthracene permet ainsi d’obtenir une faible longueur d’onde d’émission dans le domaine du visible.Ainsi nous montrons dans ces travaux la mise en œuvre d’une nouvelle technologie de fabrication pour réaliser un circuit optofluidique d’une source lumineuse intégrée. La fabrication de cette puce a permis d’obtenir des résultats d’électrochimiluminescence sur puce montrant ainsi la compatibilité de cette approche. Les expériences effectuées pendant ces travaux ouvrent ainsi la voie au pompage électrique sur dispositifs optofluidiques. / Since optofluidics was introduced in the early 2000s, a lot of devices combining microfluidic and optic have been developed such as L2 waveguides, adaptive liquid lenses, microdroplet multicolour dye laser, or lensless optofluidics microscopes.These systems offer many advantages allowed by microfluidic like flexibility and accordability. However most of them generally need an external optical source carefully coupled to the microfluidic device.The purpose of this PhD thesis is to improve autonomy and portability of microfluidics systems integrating light source on the chip. Hence, we suggest here to use the electrochemiluminescence way to reach electrical pumping. 9,10-Diphenylanthracene annihilation allowed us to obtain a low wavelength in the visible domain.Therefore, we show here the implementation of a new fabrication technology to make an integrated on chip optical source. The chip fabrication allowed us to obtain on chip electrochemiluminescence results showing the compatibility of this approach. The experiments realised during these works open the way to electrical pumping way on optofluidic chips.

La cytométrie en flux en association avec la coloration et le marquage d'anticorps présente l'un des outils les plus précieux en biotechnologie actuelle fournissant des informations sur l'hétérogénéité des populations cellulaires, la taille et le volume des cellules, ainsi que l'expression de certaines molécules de surface et intracellulaires. L'augmentation du coût et la difficulté fondamentale de ces méthodes, cependant, sont attribués à l'exigence des molécules de marquage de surface. Diélectrophorèse (DEP) a été identifiée comme alternative sans marquage prometteuse. Cette thèse porte sur l'amélioration des technologies basée sur les DEP actuelles, et le développement d'une nouvelle méthode pour aborder les questions de cytometrie diélectrophorétique (DEP) permettant la mesure probabiliste des signatures diélectriques (DE) de cellules au niveau d’une population, ainsi que de permettre l'identification de biomarqueurs fiables pour les changements cellulaires.Tout d'abord, les améliorations de la cytométrie DEP sur la translation de cellules latérales induites par DEP sont explorées par fabrication. Un système de tri cellulaire benchmark microfluidique est présenté, et l'effet des désalignements des microcanaux sur les topologies des électrodes des cellules DEP vivantes est discuté. Un modèle de S. cerevisiae est présenté et validé expérimentalement dans des dispositifs microfluidiques fabriqués. Un nouveau procédé de fabrication permettant le prototypage rapide de dispositifs microfluidiques avec des électrodes intégrées bien alignées est présenté. Des dispositifs identiques ont été fabriqués avec des procédés standards de lithographie douce PDMS. Selon l'étude benchmark, la procédure standard PDMS est tombée bien en dessous de la gamme nécessaire pour le tri des cellules par DEP. Le temps de fabrication et les coûts de la méthode proposée se sont révélés être à peu près les mêmes.Deuxièmement, une nouvelle méthode appelée cytométrie DEP distribuée (2DEP cytométrie) a été développée. Elle utilise une translation verticale de cellules induite par effet de DEP en liaison avec la vélocimétrie par image de particules (PIV) afin de mesurer la répartition probabiliste de forces DEP sur une population cellulaire entière. La méthode a été intégrée dans un dispositif microfluidique avec des électrodes intégrées. Les cellules passant à travers le micro-canal sont sollicitées par des forces de sédimentation, tandis que les forces DEP soit s’opposent à la sédimentation, prennent en charge la sédimentation, ou aucun des deux, en fonction des signatures DE des cellules. Les hauteurs à laquelle les cellules se stabilisent correspondent à leur signature DE et sont mesurées indirectement en utilisant PIV.Les données expérimentales quantifient la signature DE d'une population de S. cerevisiae et la lignée cellulaire human immortalise leucemie myeloide K562. Tout d'abord, l'effet de la surexpression de certaines protéines membranaires a été étudié dans des cellules S. cerevisiae. La répartition mesurée des forces DEP a été comparée à la population de cellules exprimant une protéine cytoplasmique au même taux. Deuxièmement, 2DEP cytométrie a été appliquée à la lignée cellulaire K562. Les effets de la réponse à un stress provoqué par divers inducteurs sur la signature DE de la population cellulaire ont été analysées.Enfin, l'analyse statistique des données définies estimation par noyau ajustées pour surmonter la nature finie des données mesurées. En combinaison avec des spectres en distance de Wasserstein, notés signatures Wasserstein, ont été quantifiés et liée à certains changements cellulaires. Ces signatures peuvent être utilisées comme marqueurs biologiques fiables pour certains changements cellulaires.En conclusion, 2DEP cytométrie a montré être suffisamment sensible pour identifier certains changements d’états cellulaires. Le nouveau dispositif 2DEP cytométrie est donc une alternative prometteuse à la cytométrie en flux classique / Flow cytometry in combination with staining and antibody labelling presents one of the most valuable tools in current biotechnology providing information about cell population heterogeneity, cell size and volume, as well as expression of certain surface and intracellular molecules. The increased cost and the fundamental difficulty of these methods, however, are attributed to the requirement of the surface marker molecules. Attractive alternatives to flow cytometry are label-free methods, such as micro-filtration, dielectric spectroscopy, and electro-kinetic methods. Out of these methods, dielectrophoresis (DEP) was selected as the most promising approach. This thesis focuses on improvements of current DEP-based technologies, and development and establishment of a new method to address the issues of dielectrophoretic (DEP) cytometry enabling label-free non-invasive probabilistic measurement of cell dielectric (DE) signatures on population level, as well as enabling identification of reliable biomarkers for cell changes.First, improvements of DEP cytometry based on DEP-induced lateral cell translation through fabrication are explored. A benchmark microfluidic live cell sorting system is presented, and the effect of microchannel misalignment above electrode topologies on live cell DEP is discussed in detail. Simplified model of budding S. cerevisiae cell is presented and validated experimentally in fabricated microfluidic devices. A novel fabrication process enabling rapid prototyping of microfluidic devices with well-aligned integrated electrodes is presented and the process flow is described. Identical devices were produced with standard PDMS soft lithography processes. The presented fabrication process significantly improved the alignment of the microstructures. According to the benchmark study, the standard PDMS procedure fell well outside the range required for reasonable cell sorting efficiency. The fabrication time and costs of the proposed methodology were found to be roughly the same.Second, a method called distributed dielectrophoretic cytometry (2DEP cytometry) was developed. It uses a DEP-induced vertical translation of live cells in conjunction with PIV in order to measure probabilistic distribution of live cell DE signatures on an entire cell population. The method was integrated in a microfluidic device with integrated electrodes. Cells passing through the microchannel are acted on by sedimentation forces, while DEP forces either oppose sedimentation, support sedimentation, or neither, depending on the DE signatures of the cells. The heights at which cells stabilize correspond to their DE signature and are measured indirectly using particle image velocimetry (PIV).Experimental data quantify the DE signature of a S. cerevisiae population and Human immortalised myelogenous leukaemia cell line K562. First, the effect of over-expression of certain membrane protein was studied in S. cerevisiae cells. Measured distribution of DEP forces was compared to cell population expressing a cytoplasmic protein at the same rate. Second, 2DEP cytometry was applied to K562 cell line. Effects of stress response triggered by various inducers on the DE signature of the cell population were analysed.Finally, statistical data analysis defined adjusted kernel density estimation to overcome the finite nature of the measured data. In combination with Wasserstein pseudometrics from sampled data, the Wasserstein distance spectra, denoted as Wasserstein signatures, were quantified and linked to certain cell changes. These signatures may be used as reliable biomarkers for cell changes.In conclusion, 2DEP cytometry showed it is sensitive enough to identify certain changes in cell states. The novel 2DEP cytometry device is therefore a promising alternative to conventional flow cytometry

Dans cette thèse, des systèmes nano-opto-mécaniques (NOMS) sont explorés et deux composants nano-opto-mécaniques sont conçus, simulés, fabriqués et analysés. Premièrement, un générateur de moment angulaire composé d'un résonateur en anneau, un guide d'onde et un ensemble de nano-plots est conçu, analysé théoriquement et simulé. L'analyse théorique et les résultats numériques montrent qu'une série de champs tournants optiques (ROFs) sont générés lorsque différentes longueurs d'onde de résonance sont couplées dans le générateur. Par la suite, la force optique, le potentiel optique et le couple optique du ROF généré sont analysés théoriquement, simulés numériquement et discutés. Les distributions de forces optiques sont affectées par le ROF en fonction des ordres angulaires et des différents nano objets considérés. Les couples optiques sont analysés et discutés pour des objets différents, àsavoir les nano-particules sphériques, des nano-fils et un nano-rotor. Enfin, un système accordable de transparence induite par résonateurs couplés (Coupled-Resonator-Induced Transparency –CRIT), qui est entraîné par la force optique exercée entre le résonateur en anneau et le substrat, est conçu, analysé théoriquement, simulé,fabriqué et mesuré expérimentalement. Le système CRIT accordable est constitué d'un guide d'onde et de deux résonateurs en anneau couplés, dans lequel un anneau est fixe et l’autre libre de se mouvoir. Différentes puissances d'entrée produisent différentes forces optiques sur l'anneau libéré, qui produisent différentes déformations et changements de l'accumulation du champ optique, et ainsi différents décalages du spectre de transmission optique et une variation du retard de groupe / In this PhD thesis, the nano-opto-mechanical system (NOMS) is explored and two nano-opto-mechanical devices are designed, analyzed, simulated and fabricated. Firstly, an angular momentum generator consisting of a ring resonator, a wave guide and a group of nano-rods is designed, theoretically analyzed and simulated. The theoretic alanalysis and numerical results show that a series of rotating optical field (ROF) are generated when different resonant wave lengths are coupled into the generator. Subsequently, the optical force, the optical potential and the optical torque of the generated ROF are theoretically analyzed, numerically simulated and discussed. The optical force distributions are affected by the ROF with different angular orders and different objects. The optical torques are analyzed and discussed for different objects, i.e. spherical nano-particle, nano-wire and nano-rotor. Finally, a tunable coupled-resonator-induced transparency (CRIT) system, which is driven by the optical force between the ring resonator and the substrate, is designed, theoretically analyzed, simulated, fabricated and experimented. The tunable CRIT system consists of a bus wave guide and two coupled ring resonators, in which one is the released ring and the other is the fixed ring. Different input powers produce different optical forces on the released ring, which produce different final deformations, change the optical field buildup, shift the transmission spectrum and vary the group delay

Ce travail présente une étude du piégeage dune "goutte-sessile" en évaporation. Deux cas sont considérés : une goutte sur une surface hydrophile et sur une surfaces hydrophobe. Dans ces deux cas, lancrage de la ligne ( piégeage ) se fait entre langle de contact davancée et celui de reculée. La constance du rayon de la gouttelette est observée. Cette phase met en évidence trois régimes dévaporation : étalement, piégeage de la ligne triple et amorçage de la rétraction. Les paramètres suivants ont été étudiés par une technique dimagerie avec une résolution de 10?m/pixel : le volume, le rayon et langle de contact, leurs évolutions temporelles et les comportements du profil géométrique des gouttelettes. Deux diagrammes caractéristiques sont présentés : (i) langle de contact en fonction du volume et (ii) langle de contact en fonction du rayon. Ce dernier graphique met en évidence le piégeage de la ligne. Les grandeurs fondamentales de la dynamique dévaporation, qui caractérisent la richesse dune goutte sur substrat solide à surface horizontale, ont été quantifiées : 0,4 à 1,33?m/s pour la vitesse de rétraction de la ligne de contact, 640 à 937 ?rad/s pour le taux de décroissance de langle de contact sur substrats hydrophiles, 1 à 2,5 nl/s pour le taux dévaporation, et 0,71 à 1,09 nrad/s2 pour le taux de décélération pour les gouttes évaporées sur les substrats hydrophobes. Le comportement de langle de contact en fonction du temps est linéaire aux temps courts dans le cas des surfaces hydrophiles et aux temps larges pour les hydrophobes. La longueur de la constance du rayon est équivalente à la signature dhystérésis. Les substrats solides homogènes utilisés sont : (i) surface fakir et téflon pour les hydrophobes et (ii) porcelaine et nylon pour les hydrophiles en raison de la signature dhystérésis. Lénergie de piégeage est évaluée à ? 25?J/m pour les hydrophobes et à ? 30?J/m pour les hydrophiles. Le comportement de la goutte en évaporation dépend de manière dont on la pose "gonflée - posée". Le comportement de la ligne triple est observé. Un tel comportement nest pas trivial. Des modèles numériques sont mis au point afin dillustrer ce processus physique dapparence simple et de comprendre le piégeage. Ces modèles reproduisent de manière très réaliste la dynamique de lévaporation dune goutte allant des conditions initiales jusquau séchage complet. La cohérence entre ces modèles numériques et nos résultats expérimentaux avec effet mémoire dans les conditions naturelles valide un critère justifié jusquici par un formalisme analytique.