L'émulsification par étape est une variante de la technique de génération de gouttelettes appelée co-flow. Cette nouvelle technique est basée sur l'instabilité d'un fil liquide biphasique déclenchée par un changement abrupt du confinement de l'écoulement (Figure 1). Elle est plus directement inspirée par l'émulsification en microcanal puisqu'elle utilise des réseaux de canaux microfabriqués qui permettent un contrôle géométrique remarquablement précis de la taille des gouttelettes.
Mécanisme d'émulsification par étapes
La technique d'émulsification par étape est utilisée pour générer des gouttelettes dont les diamètres varient des nanomètres aux centaines de micromètres. Pour réaliser ce processus, l'équipement nécessaire se compose d'un canal de phase dispersée, d'un réservoir de la phase continue et d'une buse, dont la hauteur est significativement différente de celle du réservoir.
Pour caractériser cette technique, plusieurs modèles géométriques ont été établis. Parmi ces modèles, c'est le mécanisme quasi-statique qui a été retenu par la plupart des chercheurs pour comprendre comment les gouttes sont générées. Selon Dangla et al. 2013 J Phys D Appl Phys, ce modèle est conditionné par trois hypothèses :
- la phase dispersée n'est pas capable de mouiller les parois du canal pour la formation de gouttelettes,
- l'effet gravitationnel est négligeable,
- le système évolue de manière quasi-statique.
Pour générer avec succès des gouttelettes par émulsification par étapes, la phase continue contenant le surfactant doit être injectée en premier afin de remplir le réservoir. La phase dispersée immiscible est ensuite injectée dans le canal. Ainsi, lorsque le filet de la phase dispersée traverse l'étape, un bulbe émerge en aval de celle-ci. À mesure que la phase dispersée est injectée en continu, la courbure moyenne du bulbe diminue, tandis que sa taille augmente (Figure 2).
Types de conceptions d'émulsification par étapes
L'étape d'émulsification en microcanal de type rainuré est régie par la tension interfaciale pour la formation de gouttelettes lors de l'utilisation de la pression ou du débit. Classiquement, le microcanal rainuré comprend un canal de phase dispersée, une buse, une terrasse et un réservoir de phase continue (Figure 3a). Ce type de dispositif peut être fabriqué sur une plaquette de silicium par photolithographie et gravure dépendante de l'orientation.
Un deuxième exemple est l'utilisation d'un microcanal droit pour l'émulsification par étapes, dont la structure comprend des trous droits allongés pour la formation de gouttelettes (Figure 3b). Le diamètre des gouttelettes est linéairement lié à la profondeur du trou droit, qui est approximativement un multiple de 4. Pour la fabrication de ce dispositif, la gravure ionique réactive profonde (DRIE) sur une tranche de silicium peut être utilisée.
Une autre structure d'émulsification par étapes permettant la génération de gouttelettes à des débits élevés est le dispositif de génération de gouttelettes Edge (EDGE). Cette fois, il ne s'agira plus d'un trou droit, mais d'un large plateau peu profond servant de buse, dans lequel des gouttelettes parallèles sont générées simultanément à partir d'une seule buse (Figure 3c). Pour fabriquer ce dispositif, une tranche de silicium est gravée en utilisant la technique de gravure ionique réactive profonde (DRIE), puis liée à une plaque de verre.
Jusqu'à présent, seules des buses rectangulaires ont été utilisées dans les dispositifs susmentionnés. Cependant, les buses triangulaires ont démontré des performances bien supérieures. La buse triangulaire agit alors comme une terrasse pour le reflux de la phase continue avec la section transversale étirée (Figure 3d). De cette manière, la buse triangulaire offre une zone locale indépendante pour la formation de gouttelettes afin d'éviter toute interférence indésirable des phases dispersée et continue.
En émulsification par étapes, il est important de noter que la taille des gouttelettes monodisperses est liée aux caractérisations géométriques du microcanal, ce qui signifie que le diamètre des gouttelettes est difficile à ajuster une fois le microcanal conçu.
Bien que limitée en taille de gouttelettes par la géométrie, l'émulsification par étapes est un outil robuste, surtout lorsqu'elle est combinée aux technologies de détection, d'identification et d'information, ce qui améliorera la mesure de la bio-information.
