Article

1 - INTÉRÊT DE LA MICROFLUIDIQUE POUR LA CHIMIE

2 - TRAITEMENT DE L’ÉCHANTILLON EN LABORATOIRES SUR PUCE

3 - INTENSIFICATION DE LA RECHERCHE ET DÉVELOPPEMENT

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

6 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : CHV2225 v1

Laboratoires sur puce dédiés à la chimie - Principes et caractéristiques

Auteur(s) : Clarisse MARIET, Christine DALMAZZONE, Marie MARSIGLIA, Laurent VIO, Axel VANSTEENE, Emmanuel MIGNARD

Date de publication : 10 juin 2019

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Présentation

RÉSUMÉ

L’évolution des laboratoires sur puce repoussent les limites de la miniaturisation en intégrant toutes les étapes d'une analyse, depuis la préparation des échantillons jusqu'à l'analyse des résultats. D’abord utilisés dans le domaine de la biologie sous la forme de biopuces, ce sont désormais des outils indispensables aux chimistes de tous les domaines. Cet article rappelle d'abord les points forts de la microfluidique pour la conception de laboratoires sur puce, puis présente les spécificités de quelques systèmes pour des applications aux séparations radiochimiques et aux caractérisations chimiques ou physicochimiques pour la chimie fine.

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ABSTRACT

Labs on a Chip for Chemistry. Principles and Characteristics

The evolution of labs-on-chips are pushing the limits of miniaturization by integrating all stages of analysis, since the preparation of the samples up to the analysis of the results. First used in the field of biology in the form of biochips, are now essential tools for chemists from all areas. This article first recalls the highlights of microfluidics, then presents the specificities of microfluidics for applications to radiochemical separations and chemical and physicochemical characterizations for fine chemicals.

Auteur(s)

  • Clarisse MARIET : Ingénieur chercheur - Direction de l’Énergie Nucléaire (DEN), Service d’Études Analytiques et de Réactivité des Surfaces (SEARS), CEA, Université Paris-Saclay, Gif sur Yvette, France

  • Christine DALMAZZONE : Ingénieur de recherche - Direction Physico-Chimie et Mécanique Appliquées - IFP Énergies nouvelles (IFPEN), Rueil-Malmaison, France

  • Marie MARSIGLIA : Ingénieur de recherche - Direction Physico-Chimie et Mécanique Appliquées - IFP Énergies nouvelles (IFPEN), Rueil-Malmaison, France

  • Laurent VIO : Ingénieur chercheur - Direction de l’Énergie Nucléaire (DEN), Service d’Études Analytiques et de Réactivité des Surfaces (SEARS), CEA, Université Paris-Saclay, Gif sur Yvette, France

  • Axel VANSTEENE : Doctorant - Direction de l’Énergie Nucléaire (DEN), Service d’Études Analytiques et de Réactivité des Surfaces (SEARS), CEA, Université Paris-Saclay, Gif sur Yvette, France

  • Emmanuel MIGNARD : Chargé de recherche - CNRS, Université de Bordeaux, Solvay, LOF, UMR 5258, Pessac, France

INTRODUCTION

Le concept des laboratoires sur puce date du début des années 1990, mais les développements fourmillent et bouleversent le secteur des biotechnologies à partir des années 2000 comme en témoigne l’évolution du nombre d’articles dont le sujet contient le mot-clé « microfluidics », qui désigne à la fois la science et la conception des laboratoires sur puce et dont au moins l’une des dimensions caractéristiques est de l’ordre de quelques dizaines de micromètres, dans la base de données Thomson ISI Web of Knowledge. Ce nombre d’articles est passé de 28 en 1998 à plus de 2 200 pour la seule année 2017 (étude réalisée en juillet 2018). Depuis, les laboratoires sur puce sont omniprésents dans de nombreux domaines : en médecine, dans l’énergie, dans la chimie verte, la cosmétique, l’industrie agroalimentaire…, mais quels sont les réels avantages de cette technologie pour la chimie ? Quelles sont leurs particularités ? Comment sont-ils développés ?

La microfluidique a suscité l’intérêt de l’industrie chimique motivée en grande partie par les applications en analyse, en synthèse ou pour l’intensification des processus. Par exemple, ces réductions d’échelles sont pertinentes dans le domaine nucléaire ou pour les industries fabriquant des produits toxiques ou explosifs car elles permettraient de :

  • diminuer la production de déchets (réactifs, consommables de laboratoire, solution de décontamination…) ;

  • automatiser des opérations unitaires de procédé chimique ;

  • diminuer l’exposition radiologique et chimique des personnels ;

  • diminuer les coûts (par exemple en transférant des analyses d’enceintes blindées en boîtes à gants).

Essentiellement mise en œuvre en physico-chimie des fluides complexes sur des systèmes fonctionnant dans des conditions proches de l’ambiante, la microfluidique présente aussi un intérêt pour mener des expérimentations dans des conditions plus sévères (haute pression, haute température), représentatives des conditions opératoires industrielles rencontrées dans diverses applications, qui vont de l’exploration/production du pétrole, en passant par le raffinage et la pétrochimie à la transformation de la biomasse, la synthèse de biocarburants…

Ce changement de paradigme dans la chimie organique permet d’améliorer :

  • la productivité ;

  • la sélectivité. Pour des réactions conduites en milieu biphasique, l’absence de mélange est mise à profit en fin de réaction : l’étape d’extraction et de purification des produits est supprimée, les produits se situent exclusivement dans l’une des deux phases.

  • le contrôle thermique lié au rapport surface/volume et à la possibilité de positionner des capteurs au plus près de la réaction ;

  • la gestion des risques.

Le criblage des conditions opératoires à haut débit intéresse aussi les chimistes quel que soit leur domaine. C’est pourquoi la microfluidique est devenue un instrument de choix pour tester des milliers de formulations de surfactants (pour un fabricant de shampoing, par exemple), de catalyseurs ou d’extractants pour l’hydrométallurgie et sélectionner les meilleurs candidats.

Alors que d’ordinaire la littérature décrit les laboratoires sur puce dédiés aux biotechnologies, le but des trois articles qui suivent est de sensibiliser le lecteur aux spécificités des laboratoires sur puce développés pour la chimie.

L’article [CHV 2 225] décrit les avantages et les inconvénients des laboratoires sur puce puis dresse l’état de l’art des microsystèmes développés spécifiquement pour des applications à la chimie séparative élémentaire (sels, métaux et radionucléides) et les caractérisations chimiques et physico-chimiques des processus. Enfin, leur apport à l’accélération de la recherche et développement fait l’objet de la dernière partie.

L’article [CHV 2 226] est centré sur la conception de ces laboratoires sur puce, avec notamment l’exposé des fonctions de base, le choix des matériaux. Les principes de fonctionnement des microsystèmes séparatifs précédemment décrits sont présentés de manière à comprendre la façon dont ils ont été dimensionnés.

L’article [CHV 2 227] est axé sur l’intensification obtenue par les microréacteurs utilisés pour la chimie fine, des exemples d’intensification de procédés industriels y sont présentés.

Les deux articles [CHV 1 010] et [BIO 7 150] constituent un complément d’information. L’article [CHV 1 010] concerne plus particulièrement le traitement de l’échantillon par des techniques miniaturisées mais pas nécessairement en laboratoire sur puce, ainsi que des techniques séparatives miniatures couplées à des techniques de détection pour des applications essentiellement biologiques.

Enfin, le lecteur pourra consulter l’article [BIO 7 150] qui est entièrement axé sur les biopuces et leurs applications au diagnostic médical et à l’analyse de l’ADN par amplification, des protéines, des sucres ou des cellules.

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KEYWORDS

microfluidics   |   Enhanced Oil Recovery   |   radionuclides   |   elementary separation

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-chv2225


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TOKESHI (M.), MINAGAWA (T.), KITAMORI (T.) -   Integration of a microextraction system on a glass chip : Ion-pair solvent extraction of Fe(II) with 4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolinedisulfonic acid and tri-n-octylmethylammonium chloride.  -  Anal. Chem. 72, p. 1711-1714 (2012).

  • (2) - MINAS (G.) -   Lab-on-a-chip devices for chemical analysis, in Encyclopedia of microfluidics and nanofluidics.  -  p. 911-926, Edition Springer : New York (2008).

  • (3) - BRUUS (H.) -   Theoretical microfluidics.  -  Edition Oxford University Press (2008).

  • (4) - DESSIMOZ, (A.-L.), CAVIN (L.), RENKEN (A.), KIWI-MINSKER (L.) -   Liquid – liquid two-phase flow patterns and mass transfer characteristics in rectangular, glass microreactors.  -  Chem. Eng. Sci. 63, p. 4035-4044 (2008).

  • (5) - MANZ (A.), GRABER (N.), WIDMER (H.M.) -   Miniaturized total chemical analysis systems : A novel concept for chemical sensing,  -  Sens. Actuators B Chem. 1(1-6), p. 244-248 (1990).

  • ...

1 Sites Internet

Journal Lab-on-a-Chip

http://www.pubs.rsc.org/en/journals/journalissues/lc

HAUT DE PAGE

2 Événements

Lab-on-a-Chip World Congress

http://www.selectbiosciences.com/conferences

microTAS

http://www.microtas12.org/

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3 Normes et standards

ASTM D7996-15 - 2015 - Standard test method for measuring visible spectrum of asphaltenes in heavy fuel oils and crude oils by spectroscopy in a microfluidic platform

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