Este trabalho de doutorado apresenta o desenvolvimento de novas tecnologias para fabricação de microsistemas analíticos e detecção eletroquímica. Primeiramente, a poliuretana elastomérica, derivada de uma fonte renovável, o óleo de mamona, foi utilizada como um novo e alternativo material para fabricação de microdispositivos. Foram avaliadas as características físicas dos microcanais formados por moldagem, a compatibilidade química com solventes e eletrólitos, as características de superfície através dos ângulos de contato, o EOF em diferentes pHs e a performance analítica em experimentos de eletroforese com detecção eletroquímica. A segunda parte do trabalho apresenta o desenvolvimento de um método para a determinação simultânea de azo-corantes comumente usados na indústria alimentícia. Amaranto, amarelo crepúsculo FCF, amarelo sólido AB, ponceu 4R e vermelho 2G, foram separados e quantificados através de eletroforese em microdispositivos com detecção eletroquímica. Foram estudados e otimizados vários parâmetros que influenciaram a separação eletroforética e detecção eletroquímica, em experimentos realizados usando microdispositivos de vidro e eletrodo de trabalho de carbono vítreo. Finalmente, a terceira parte desse trabalho apresenta o uso das propriedades magnéticas e eletrocatalíticas de nanofios de níquel no desenvolvimento de um detector adaptativo magneticamente modulável para eletroforese em microdispositivos. / The development of microfluidic analytical systems has witnessed an explosive growth during the last 15 years. Particular attention has been given to microchip electrophoresis because of their fast and efficient separation capabilities. Electrochemistry detection offers considerable promise for such microfluidic systems, with features that include remarkable sensitivity, inherent miniaturization and portability, low cost, and high compatibility with microfabrication technologies. This thesis shows the development of new fabrication technologies for miniaturized analytical systems with electrochemical detection and it is presented in four chapters, Chapter I shows an introductory view of the main aspects related to miniaturization of analytical systems and amperometric detection configurations commonly coupled to microchip electrophoresis. In Chapter II, the use of elastomeric polyurethane (PU), derived from castor oil (CO) biosource, as a new material for fabrication of microfluidic devices by rapid prototyping is presented. Including the irreversible sealing step, PU microchips were fabricated in less than 1 h by casting PU resin directly on the positive high-relief molds fabricated by standard photolithography and nickel electrodeposition. Physical characterization of microchannels was performed by scanning electron microscopy (SEM) and profilometry. Polymer surface was characterized using contact angle measurements and the results showed that the hydrophilicity of the PU surface increases after oxygen plasma treatment. The polymer surface demonstrated the capability of generating an electroosmotic flow (EOF) of 2.6 × 10-4 cm2 V-1 s-1 at pH 7 in the cathode direction, which was characterized by current monitoring method at different pH values. The compatibility of PU with a wide range of solvents and electrolytes was tested by determining its degree of swelling over a 24 h period of contact. The performance of microfluidic systems fabricated using this new material was evaluated by fabricating miniaturized capillary electrophoresis systems. We used catecholamines as model analytes that were separated in aqueous solutions and detected with end-channel amperometric detection. In Chapter III, a method based on microchip electrophoresis with electrochemical detection has been developed for the simultaneous determination of Yellow AB, Red 2G, Sunset Yellow, Ponceu 4R, and Amaranth which are azo-dyes frequently added to foodstuffs. Factors affecting both separation and detection processes were examined and optimized, with best performance achieved by using a 10 mM phosphate buffer (pH 11) as running buffer and applying a voltage of 2500 V both in the separation and in the electrokinetic injection (duration 4 s). Under these optimal conditions, the target dye analytes could be separated and detected within 300 s by applying a detection potential of -1,0 V (vs. Ag/AgCl) to the glassy carbon (GC) working electrode. The recorded peaks were characterized by a good repeatability (RSD = 1,8 - 3,2%), high sensitivity, and a wide linear range. Detection limits of 3.8, 3.4, 3.6, 9.1, 15.1 ?M were obtained for Yellow AB, Red 2G, Sunset Yellow, Ponceu 4R, and Amaranth, respectively. Fast, sensitive, and selective response makes the new microchip protocol very attractive for the quantitative analysis of commercial soft drinks and candies Finally, in Chapter IV, we demonstrate for the first time the use of adaptive functional nickel nanowires for switching on demand operation of microfluidic devices. Controlled reversible magnetic positioning and orientation of these nanowires at the microchannel outlet offers modulation of the detection and separation processes, respectively. The former facilitates switching between active and passive detection states to allow the microchip to be periodically activated to perform a measurement and reset it to the passive (\"off\") state between measurements. Fine magnetic tuning of the separation process (post channel broadening of the analyte zone) is achieved by reversibly modulating the nanowire orientation (i.e., detector alignment) at the channel outlet. The concept can be extended to other microchip functions and stimuli-responsive materials and holds great promise for regulating the operation of microfluidic devices in reaction to specific needs or unforeseen scenarios.

Les nanoparticules (NPs) assemblées en architectures 2D ou 3D présentent de nouvelles propriétés optiques, magnétiques et électroniques collectives. Par exemple, des NPs d’argent (Ag) ou d’or (Au) absorbent la lumière à des longueurs d’onde plus grandes lorsqu’elles sont compactées que lorsqu’elles sont éloignées. Tout d'abord, des microparticules de latex et des NPs d’or sont assemblées par la technique de pervaporation microfluidique afin de former des matériaux denses aux dimensions contrôlées. En réduisant la concentration en sels contenus dans les dispersions de particules, ces dernières s’organisent en cristaux hexagonaux. Des matériaux millimétriques constitués de petites particules densément ordonnées sont collectés, offrant ainsi une base solide quant à la conception de nouveaux optomatériaux fonctionnels à l’échelle micrométrique. Ensuite, des NPs d’or et d’argent sont assemblées sur des gouttes d’émulsion afin de fabriquer des matériaux dispersés. En contrôlant les charges et la mouillabilité des particules, celles-ci s’adsorbent et se compactent en surface de gouttes. Les NPs sont ensuite fixées dans une écorce organique par une polymérisation à l’interface de l’émulsion. Dans des conditions bien définies, des microcapsules Au NP-silice et Au NP-polyacrylate respectivement sensibles aux déformations mécaniques et aux variations de pH sont obtenues. Ces microcapsules changent de couleur du fait de l’augmentation de la distance entre les Au NPs lors de la déformation des capsules. Chacune de ces microcapsules étant un capteur à elle toute seule, ces résultats ouvrent la voie vers la conception de nouveaux capteurs à l’échelle micrométrique. / Nanoparticles (NPs) assembled into two- or three-dimensional architectures offer new collective optical, magnetic and electronic properties. For instance, closely packed gold (Au) and silver (Ag) NPs absorb light at higher wavelength than when they are far apart. In the first part of this thesis, the technique of microfluidic pervaporation is used to assemble micron size latex particles and Au NPs in bulky materials of controlled dimensions. By reducing the concentration of salts in the particles dispersions, the particles organize in hexagonal crystals. Millimeter-long materials of small well-organized densely packed particles are collected, offering solid groundwork as for the design of new functional microscale optomaterials. In the second part of this thesis, the assembly of NPs on droplets is used to fabricate dispersed materials. By tuning the charges and wettability of Au and Ag NPs, they adsorb at the surface of emulsion droplets. A subsequent polymerization at the interface of the emulsion allows to lock the NPs inside an organic shell. In well-defined conditions, novel Au NP-silica microcapsules responsive to mechanical strains and Au NP-polyacrylate microcapsules responsive to pH variations are engineered. These microcapsules change color during their deformation due to the increase of the distance between the Au NPs. Each one of the microcapsules being one sensor by itself, these results pave the way as for the design of new microscale sensors.

Ces travaux de thèse, financés par la Région Aquitaine et partie intégrante des projets ASCOBAR et OSQUAR (2007-2009 et 2009-2011), ont été effectués au sein du laboratoire IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) et sont le fruit de la collaboration de trois laboratoires. Ils ont visé l'étude d'une plateforme à ondes acoustiques transverses horizontales guidées, ou ondes de Love, dédiée à la détection de phycotoxines responsables d'empoisonnement par consommation de chair de coquillage.Cette plateforme intègre une partie microfluidique destinée à assurer un contrôle du flux de l'échantillon d'analyse au voisinage de l'interface sensible, tout en réduisant les volumes utilisés. Des tests de détections ont été réalisés, en collaboration avec le Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie de l’Université Bordeaux 2, en équipant le capteur d'un biorécepteur spécifique de type anticorps, commercial pour la détection d'acide okadaïque, ou, pour l'acide domoïque, fabriqué à partir d'un haptène formé avec un mimotope d'une famille de toxines du type amnésiante (ASP) synthétisé par l'Institut des Sciences Moléculaires (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255).Grâce aux efforts synergiques de ce consortium et à l'élaboration de protocoles de détections spécifiques, les premiers résultats permettent de discriminer un échantillon empoisonné au seuil sanitaire, soit 0,2 ppm pour l'acide okadaïque, 20 ppm pour l'acide domoïque (200 ng d'acide domoïque dans seulement 10 mg de chair de coquillage). / These works have been funded by "la Région Aquitaine" as part of the projects ASCOBAR (2007-2009) and OSQUAR (2009-2011). They have been done in the IMS-Bordeaux (Université Bordeaux 1, CNRS, UMR 5218) with the collaboration of two others laboratories.The main goal was to create a guided transverse horizontal acoustic wave (Love wave) platform for specific detection of phycotoxins, responsible of shellfish poisoning. The microfluidic chip integrated into this platform allows control of the sample flow above the sensitive surface while saving biological liquid consumption.Detection tests have been done with the collaboration of the "Laboratoire d'Immunologie-Parasitologie" (Université Bordeaux 2). The sensitive surface was made of antibodies, created from a hapten made with a mimotope synthesized by "l'Institut des Sciences Moléculaires" (Université Bordeaux 1, CNRS UMR 5255). This mimotope is a molecule part which is common to a family of amnesic phycotoxin (ASP).Thanks to the synergistic efforts of this consortium and development of specific detection protocols, results can discriminate poisonous samples at sanitary threshold, that is, containing 0.2 ppm of okadaic acid, 20 ppm of domoic acid (200 ng of domoic acid into only 10 mg of shellfish flesh).

La distribution en taille, la concentration, ou la séquence des fragments d’ADN circulants dans le sang sont autant d’informations analytiques exploitables pour les cliniciens ou les spécialistes de la biologie moléculaire. Par exemple, l’ADN circulant, issu de cellules tumorales, peut servir de biomarqueur pour la détection et le suivi du cancer. L’accès à ces informations est d’autant plus difficile que la quantité d’ADN dans l’échantillon est faible. En pratique, pour atteindre des niveaux de sensibilité adaptés, la détection et l’analyse de résidus d’ADN requiert le développement et l’association de technologies d’analyses de type électrophorèse aux techniques de la biologie moléculaire telles que l’amplification PCR. Dans la perspective de simplifier et d’accélérer les procédures, nous avons développé et optimisé µLAS, un système microfluidique pour la concentration, la séparation et la détection simultanée de l’ADN résiduel. µLAS a ensuite été appliqué au diagnostic de la maladie de Huntington et à l’analyse de l’ADN résiduel circulant dans le sang. La maladie de Huntington, causée par l’expansion de répétitions CAG/CTG sur le gène Huntingtin, est à l’origine d’une dégénérescence neurologique. Le diagnostic de la maladie de Huntington consiste à amplifier et à mesurer la taille de cette expansion. L’amplification de répétitions trinucléotidiques étant peu fiable, nous profitons de la sensibilité de µLAS, pour réduire le nombre de cycles d’amplification, et donc le temps d’analyse. Par ailleurs, pour l’analyse sensible de l’ADN circulant par µLAS, nous avons proposé une approche originale, visant à réduire les manipulations pré-analytiques de l’échantillon sanguin à une simple digestion enzymatique suivie d’une centrifugation. Enfin le développement d’une fonction de détection spécifique de séquence a été réalisée par concentration sélective d’une cible d’intérêt hybridée à une sonde. Cette approche qui utilise des sondes marquées en fluorescence en volume, a notamment fait l’objet d’un brevet. / DNA fragments are circulating in the bloodstream. Circulating DNA fragments size, concentration or sequence are analytical information for the clinician or the molecular biology specialists. For instance, circulating DNA, stem from tumoral cells, can serve as biomarkers for cancer detection and follow up. Collecting those information may be difficult for samples presenting minute amount of DNA. In practice, detecting and analyzing residual DNA, with the relevant level of sensitivity, ask for the development and the association of analytical technologies, such as electrophoresis, to molecular biology techniques, such as PCR amplification. In the prospect of simplifying and speeding up the processes, we have developed and optimized µLAS, a microfluidic system for the simultaneous concentration, separation and detection of residual DNA. Furthermore, µLAS has been applied to the diagnostic of Huntington’s disease and the analysis of residual DNA circulating in the bloodstream. Huntington’s disease, is caused by the expansion of CAG/CTG repeats on the Huntingtin gene, and provoke neurological degeneration. The diagnostic of Huntington’s disease consist in amplifying and measuring this expansion. As the amplification of trinucleotide repeat is far from reliable, we benefit from µLAS sensitivity to reduce the number of amplification cycles, and the time to result. Additionally, for the sensitive analysis of circulating DNA by µLAS, we have proposed an original approach, aiming to reduce the blood sample pre-analytical steps to a simple enzymatic digestion followed by a centrifugation step. Finally, the development of a function for the detection of specific sequences has been made by the selective concentration of a target of interest hybridized to a probe. This approach which use some probes fluorescently labelled in volume, has been patented.

Ce travail de thèse porte sur le développement technologique d’outils miniaturisés micro- (10 µm) et milli- (1 mm) fluidique, pour l’étude in situ de procédés de filtration frontale, en collaboration avec l’entreprise Solvay. Les outils développés permettent le suivi visuel de la formation de gâteaux de filtration en opérant des essais à pression ou à débit constant sur diverses suspensions colloïdales, jusqu’à des pressions trans-membranaires de l’ordre de 7 bars.L’étude millifluidique de la filtration de dispersions industrielles de silice colloïdale (Solvay, Silica), a permis de mettre en évidence la croissance de gâteaux compressibles et de corréler ces données aux signaux de pression, obtenus à débit imposé. Ces mêmes données sont confrontées aux lois classiques de la filtration (« cake filtration theory »), mettant en évidence que les modélisations classiques ne peuvent pas reproduire les comportements observés.La seconde partie de la thèse porte sur le développement d’un outil microfluidique, intégrant des membranes hydrogel nano-poreuses, pouvant résister à de fortes pressions (quelques bars). Ces membranes sont fabriquées in-situ par photo-polymérisation de formulations aqueuses contenant des PEG-diacrylates et des agents porogènes. Notre travail a permis une caractérisation précise de leur perméabilité en fonction de divers paramètres (formulation, temps d’exposition, géométrie). Ces mêmes membranes ont été utilisées pour suivre la filtration frontale de nanoparticules aux échelles microfluidiques, et ainsi estimer quantitativement la perméabilité des gâteaux formés. / This work deals with the technological development of miniaturized micro- (10 µm) and milli- (1 mm) fluidic tools for in-situ investigations of frontal filtration processes, in collaboration with Solvay. The tools that we developed, make it possible to monitor visually the formation of the filter cake, operating at constant-pressure or constant-flow rate filtration, on various colloidal suspensions, and up to trans-membrane pressures of 7 bars.We performed a millifluidic study of the filtration of industrial silica colloidal dispersions (Solvay, Silica), and we evidenced the growth of compressible cakes. We correlated these data to the pressure signals obtained at imposed flow rates. The comparison with theoretical predictions given by the classical laws of cake filtration theory, shows that such conventional models cannot reproduce the observed behaviors.The second part of this thesis reports the development of high pressure-resistive (several bars) microfluidic tools integrating nano-porous hydrogel-based membranes. These membranes are fabricated in situ by photo-polymerization of aqueous formulations containing PEG-diacrylates and porogen agents. We reported precise characterizations of their permeability in function of several parameters (formulation, exposure time, geometry). The same membranes were used to monitor frontal filtration of nanoparticles at the microfluidic scale, and thus to quantitatively estimate the permeability of the formed cakes.

Les riboswitches sont des modules structurés dans les régions 5’ (voire 3’) UTR des ARNm. Chaque riboswitch reconnaît spécifiquement un petit métabolite, ce qui provoque un changement de conformation et permet de moduler au niveau transcriptionnel ou traductionnel (voire par épissage alternatif) l’expression d’un gène impliqué dans la synthèse du métabolite.Ce travail portait sur la cinétique de repliement des domaines aptamères de deux riboswitches homologues liant la thiamine pyrophosphate (TPP), un régulant la transcription du gène thiC (E. coli) et l’autre régulant l’épissage alternatif du gène THIC (A. thaliana).La première approche utilisée (méthode cinétique classique par quenched-flow) consistait à sonder la structure des aptamères par des radicaux hydroxyles au cours du repliement initié par l’addition de TPP. Nous avons également développé (coll. avec A.Griffiths), une approche microfluidique visant à remplacer l’appareillage classique et, à terme, de le dépasser en permettant d’augmenter le nombre d’entrées pour l’étude de systèmes complexes. Nous avons aussi utilisé une méthode (kinITC) récemment développée au laboratoire qui permet d’obtenir des informations thermodynamiques et cinétiques inédites par microcalorimétrie isotherme.Nos résultats ont montré que l’aptamère bactérien se replie beaucoup plus vite que celui d’A. thaliana. Cependant, l’aptamère d’A. thaliana étudié dérivait de la forme sauvage (raccourcissement de l’hélice P3). Par comparaison avec d’autres travaux récents, nos résultats soulignent le rôle fondamental de P3 dans la cinétique de repliement. La méthode kinITC a aussi mis en évidence que le régime cinétique du fonctionnement global du riboswitch de E. coli n’est pas contradictoire avec une première étape de fixation du TPP sous régime thermodynamique.Les résultats obtenus avec la nouvelle méthode de microfluidique sont mitigés. Si nous avons pu reproduire le schéma de coupure de l’ARN lié au TPP obtenu par sondage chimique classique (valide ainsi la première étape de ce développement), la cinétique de repliement observée est plus rapide sans que nous en ayons pour le moment une explication satisfaisante. / Riboswitches are RNA modules found in the 5’-UTR of bacterial mRNA where they control gene expression at the transcriptional or translational level. They are occasionally found in the 3’-UTR where they control alternative splicing. Each riboswitch-controlled gene is involved in the biosynthetic pathway of a metabolite and a feedback loop is ensured by the specific binding of the metabolite.To study the folding kinetics of TPP-binding riboswitch aptamer domains from E.coli (regulating transcription of thiC) and from A. thaliana, (regulating alternative splicing of THIC) two different approaches were used. First, each aptamer structure was probed by hydroxyl radical footprinting during RNA folding triggered by TPP . We also developed (coll. with A. Griffiths) a microfluidic approach aimed at replacing the classical quenched-flow apparatus and, eventually, superseding it by giving access to more entries. We also used a method recently developed in our lab (kinITC), which gives access to rich kinetic and thermodynamic information from isothermal titration calorimetry.Our results showed that the E. coli aptamer folds much faster than its A. thaliana counterpart. However, the form that we used for the latter had a helix P3 shorter than that of the wt and, when compared with recent results, our results highlight the fundamental role of this helix in the kinetics of folding. It was also clear that, globally, the E. coli riboswitch is kinetically controlled but the kinITC method allowed us to show that this is not in contradiction with a thermodynamic control of the first TPP binding step.The results obtained with the microfluidic device are mitigated. We were indeed able to make the proof of concept of hydroxyl RNA probing on a microfluidic chip, but the kinetics of RNA folding appeared to be faster than that observed with the quenched flow. We are not yet able to propose an explanation for this strange fact.

L'objectif de ce travail, s'inscrivant dans le contexte de l'EOR chimique par voie tensioactive, est de développer un tensiomètre microfluidique permettant de mesurer de manière continue la tension interfaciale (IFT) entre des formulations EOR et des pétroles bruts. Le tensiomètre développé repose sur un co-écoulement coaxial dans deux capillaires, conduisant principalement à deux types d'écoulement : la formation d'un jet d'un fluide dans l'autre, ou la formation de gouttes créées par l'instabilité de Rayleigh-Plateau. En utilisant le modèle de Guillot et al. permettant de décrire la transition expérimentale entre un régime de gouttes et un régime de jet, il est possible de remonter à l'IFT. Dans ces travaux, les différents régimes d'écoulement ont été étudiés expérimentalement et comparer à la transition théorique. Ensuite, la plage de paramètres exploitables expérimentalement a été établie en analysant les différentes hypothèses et limites du modèle. La méthode a alors pu être mise en ¿uvre avec différents fluides couvrant plus de quatre décades de valeurs d'IFT (25 à 2.10-3 mN/m). Néanmoins, le tensiomètre développé est un tensiomètre dynamique, ce qui requiert une étude spécifique des cinétiques de diffusion et d'adsorption des tensioactifs afin de déterminer leur impact sur la mesure de l'IFT dans le cadre des formulations EOR. Dans le cas des tensioactifs à cinétiques rapides, nous avons pu réaliser l'optimisation d'une formulation EOR modèle en déterminant le minimum d'IFT en fonction de la salinité de la formulation. Pour les systèmes présentant une cinétique lente, une méthode de pré-conditionnement a été proposée afin de pouvoir réaliser la mesure d'IFT. / The aim of this work on surfactant chemical EOR is to develop a microfluidic tensiometer allowing a continuous measurement of the interfacial tension (IFT) between crude oil and aqueous solutions. The developed tensiometer is based on a coaxial co-flow inside a capillary leading mainly to two regimes of flow: formation of a jet of one fluid in another one or formation of droplets created by the Rayleigh-Plateau instability. By using the model developed by Guillot et al. which describes the experimental transition between a droplet regime and a jet regime, it is possible calculate the IFT. In this work, the different flow regimes were studied in order to correlate the experimental and the theoretical transitions. Then, the limits of the microfluidics tensiometer were evaluated and the impact of the hypotheses of the model on the IFT measurement were analysed. Then, the method has been applied to various fluids covering an IFT range of more than four decades (25 to 2.10-2 mN/m). However, as the developed tensiometer is a dynamic tensiometer, a specific study of kinetic aspects have been performed in order to evaluate the impact on the IFT value. For rapid kinetics surfactants, we optimized a model EOR formulation by determining the salinity leading to the IFT minimum. This optimization was performed thanks to HTE. For slow kinetics system, a pre-conditionning method has been proposed in order to obtain the IFT.

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. / 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.

Depuis quelques décennies, les matériaux composites organique/inorganique font l’objet de nombreux travaux de recherches. En raison de leurs propriétés uniques et intermédiaires entre les deux mondes minérales et organiques, ces matériaux sont d’un grand intérêt pour des nombreuses applications tel que le domaine, d’optique, la microfluidique, la microélectronique…, La synthèse de ce type des matériaux est réalisée à moindre coût en deux étapes : La synthèse du réseau inorganique est effectué par procédé sol-gel , tant qu’à la partie organique des compositions de type résines négatives et positives possède la particularité d’être photo-réticulables sous irradiation (UV et visible). Parallèlement, est apparue la lithographie par écriture laser (spot de quelques microns). Elle s’avère très pertinente pour la mise au point d’un procédé pour lequel des objets de petites dimensions (quelques Microns) et de petites surfaces sont à réaliser car elle permet de s’affranchir de la fabrication de masques. Cette technique associée aux résines négatives, n’est pas idéale pour la fabrication d’objets de grandes surfaces en raison de temps de fabrication induits trop long. Il est, par exemple, extrêmement compliqué et couteux d’utiliser l’écriture Laser pour la réalisation de dispositifs microfluidiques. En effet, la création de canaux de taille micronique nécessite une très grande surface à insoler. Il est donc bien plus pertinent de travailler sur l’association de l’écriture laser avec une résine de type positive. L’objectif principal de ce travail est la synthèse, l’optimisation et mise en œuvre d’un matériau hybride photosensible de type résine positive : Application à la fabrication des capteurs microfluidiques. Notre choix s’est porté sur le poly(amic acid) PAA de masse molaire 2340 g/mol comme partie organique, connu pour ces bonnes propriétés mécaniques et sa grande stabilité thermique. Le travail est centré d’une part, sur la synthèse d’une résine positive photosensible à la longueur d’onde utilisée (365 nm) à base du polymère PAA. En général, les PAA sont très solubles dans une solution alcaline aqueuse, dû à la présence d’acide carboxylique. Afin d’améliorer le contraste entre la partie insolée et non insolée après le développement, un inhibiteur de dissolution 1,3,5-tris[(2-vinyloxy)ethoxy]benzène (TVEB) est greffé au PAA via la fonction vinyl éther. Ce dernier permet la réduction de la teneur en acide carboxylique dans le motif répétitif du polymère et comme conséquence diminuer la dissolution de la partie non insolée. D’autre part, la synthèse du matériau hybride à base de la résine photosensible optimisée, est réalisée par greffage d’un précurseur ORMOSIL le 4-vinyléther-phenyltriéthoxysilane (VEPTES) pré-hydrolysé par procédé sol-gel comme partie inorganique à notre polymère. Afin d'optimiser le matériau, une étude structurale a été réalisée depuis la synthèse du solution jusqu'à l'obtention des dépôts et enfin la création des canaux microfluidiques. Une amélioration significative au niveau des propriétés mécaniques et thermiques est notée au niveau du polymère par ajout d’une partie minérale. / In recent decades, the organic / inorganic composite materials are the subject of many research works. Because of their unique properties and intermediate between inorganic and organic worlds, these materials are of great interest for many applications such as the area, optical, microfluidics, microelectronics ... The synthesis of this type of materials is carried out at a lower cost in two stages: The synthesis of inorganic network is made by sol-gel process, as well as the organic part of the negative and positive resin type compositions has the particularity of being photo-crosslinked under irradiation ( UV and visible).Meanwhile, the lithography by laser writing has appeared (spot a few microns). It is particularly appropriate for the development of a method for which small objects (a few microns) and small surfaces are to achieve because it eliminates the production of masks. This technique associated with negative resins, is not ideal for manufacturing large objects surfaces due to induced production time too long. It is, for example, be extremely complicated and expensive to use writing laser for producing microfluidic devices. Indeed, the creation of micron-sized channels requires a very large surface area to be exposed. It is therefore more appropriate to work on the combination of laser writing with a resin positive type. The main objective of this work is the synthesis, optimization and implementation of a photosensitive hybrid material resin positive type: Application to the fabrication of microfluidic sensors. Our choice fell on the poly(amic acid) PAA with molar mass of 2340 g/mol as an organic part, known for its good mechanical properties and high thermal stability.The work focuses on a part, on the synthesis of a positive photosensitive resin at the wavelength used (365 nm) based on the PAA polymer. In general, PAA are very soluble in an aqueous alkaline solution, due to the presence of carboxylic acid. In order to improve the contrast between the irradiated and unirradiated part after the development, an dissolution inhibitor 1,3,5-tris [(2-vinyloxy) ethoxy] benzene (TVEB) is grafted to the PAA via the vinyl ether function. This allows the reduction of the carboxylic acid content in the repeating unit of the polymer and as a consequence reduces the dissolution of the non-exposed part.On the other part, the synthesis of the hybrid material based on the optimized photosensitive resin is formed by grafting a precursor ORMOSIL 4-vinylether-phenyltriethoxysilane (VEPTES) pre-hydrolyzed by sol-gel method as the inorganic part to our polymer. In order to optimize the material, a structural study was conducted for the synthesis of the solution until the deposits and the creation of microfluidic channels. A significant improvement in mechanical and thermal properties is recorded at the polymer by adding an inorganic portion.

Abstract The subject of this thesis is flow imaging by methods based on the nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon. The thesis consists of three related topics: In the first one the feasibility of measuring velocity maps and distributions inside a microfluidic device by pulsed field gradient (PFG) NMR has been demonstrated. The second topic was to investigate microfluidic gas flow using a combination of a special detection technique and a powerful signal enhancement method. The third topic is related to the unambiguous determination of velocities under challenging experimental conditions and introduces a new, improved velocity imaging sequence. In the first part, well established imaging methods have been used to study water flow inside a micromixer. A surface coil matching the region of interest of the mixer was home built and used in the measurements in order to gain a better signal-to-noise ratio. Velocities inside the mixer have been measured by phase-encoding velocity, with unprecedented spatial resolution. Two dimensional NMR imaging and velocity maps revealed clogging and different manufacturing qualities of the mixers. In addition to the velocity maps, which display an average velocity for spins within one pixel, complete velocity distributions (so called average propagators) were measured. It was found that in the absence of spatial resolution in the third dimension, the propagator data can provide valuable insight to the flow system by revealing overlapping flow passages. The next topic was gas flow inside a microfluidic device. It was investigated by time-of-flight flow imaging. The measurement of the weak gas signal was enabled by the use of two signal enhancement techniques: remote detection NMR and parahydrogen induced polarization (PHIP). The results demonstrate that a very significant signal enhancement can be achieved by this technique. In the future it may enable the investigation of interesting chemical reactions inside microreactors. The third and last topic of the thesis deals with measuring flow by the so called multiecho sequences. When multiecho sequences are used in combination with phase encoding velocity, an error may be introduced: the multiecho sequence may produce a cumulative error to the phase of the magnetization, if it is sensitive to RF pulse imperfections. The problem has been elaborately explained and various solutions discussed, among the newly proposed one. Experimental results demonstrate the performance of the new velocity imaging sequence and show that the new sequence enables the unambiguous determination of velocities even in challenging experimental conditions resulting from inhomogeneous radio frequency fields of the measurement coils.