FR2978153A1 - Procede de greffage d'un polymere monolithe sur un substrat et dispositif micro-fluidique - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de modification de la surface d'un substrat constitué d'un polymère comportant des atomes d'hydrogène abstractibles, dans lequel on met en contact, sous pho-activation , le substrat avec un mélange contenant au moins un monomère vinylique multi-insaturé, un agent initiateur de polymérisation, au moins un agent porogène, de manière à réaliser, simultanément par photo-activation, une abstraction d'hydrogène à la surface du polymère par l'agent initiateur et une polymérisation-réticulation conduisant à la formation d'un polymère réticulé sous la forme monolithe poreux greffé par liaison covalente à la surface du substrat, ainsi que les dispositifs micro-fluidiques susceptibles d'être obtenus par un tel procédé.

Description

La présente invention concerne le domaine technique des procédés de modification de surface de polymère, en particulier des procédés adaptés aux dispositifs micro-fluidiques. En particulier, l'invention concerne un procédé de greffage d'un polymère monolithe sur un substrat et les dispositifs micro- fluidiques susceptibles d'être obtenus par un tel procédé. Il est de plus en plus recherché des systèmes miniaturisés pour réaliser des opérations de chromatographie en phase liquide notamment, étant donné leur caractère portatif, jetable, et le fait qu'ils permettent de réaliser des analyses dans des volumes de l'ordre du nanolitre. Or, la miniaturisation des techniques chromatographiques (technique séparative reposant sur l'interaction d'un soluté avec une phase stationnaire et une phase mobile) implique la synthèse de phases stationnaires innovantes dans des systèmes micro-fluidiques. La phase stationnaire utilisée dans de tels systèmes chromatographiques peut être constituée d'un polymère réticulé se trouvant sous la forme d'un monolithe poreux (K. Faure, Electrophoresis, 2010, 31, 2499-2511). Les dispositifs micro-fluidiques choisis pour contenir ces phases monolithiques, qui présentent des canaux le plus souvent de 50-100pm de diamètre et présentant quelques centimètres de longueurs, doivent être inertes chimiquement pour pouvoir résister aux solvants. Il s'agit en général de plastiques hydrocarbonés (contenant uniquement du carbone et de l'hydrogène) tels que les copolymères d'oléfines cycliques (COC). Les substrats utilisés dans les dispositifs micro-fluidiques étant le plus souvent chimiquement inertes, il est difficile de réaliser un ancrage des phases stationnaires sur ces substrats. Or, un tel ancrage, de préférence par liaison covalente, est indispensable pour éviter le déplacement du monolithe lors des analyses et préserver la rigidité et la robustesse du dispositif, mais également les performances chromatographiques. Sont déjà décrits dans l'art antérieur des procédés d'ancrage photo- initiés qui permettent de localiser le monolithe dans certaines sections du dispositif micro-fluidique. La technique la plus fréquemment utilisée emploie une activation de la surface du substrat à la benzophénone. Le brevet US 7,431,888 décrit, par exemple, un procédé en deux étapes, avec activation de la surface, puis synthèse du monolithe, conduisant au greffage en surface d'un premier polymère réticulé, puis au greffage sur ce polymère du monolithe poreux souhaité.

Mais, ce procédé présente de nombreux inconvénients tels que la formation d'homopolymères lors d'irradiations de longues durées, de sorte que sur le même principe d'activation à la benzophénone, le même groupe a développé un procédé en trois étapes (J. Sep. Science 2007, 30, 1088-1093) dans lequel la benzophénone, puis un monomère réticulant, et enfin au final un mélange de monomère et d'agent initiateur, sont successivement introduits. Dans un premier temps, une solution de benzophénone (photoinitiateur) est introduite dans les micro-canaux polymériques. Son irradiation sous UV initie l'abstraction d'hydrogène sur la surface plastique, générant ainsi un radical sur la surface. Puis dans un deuxième temps, un monomère jouant le rôle d'agent de réticulation, souvent un monomère multi-insaturé (diacrylate par exemple) est introduit. Celui-ci réagit lors d'une deuxième irradiation UV avec les groupements activés en surface et ainsi s'ancre de manière covalente â la paroi, sous la forme d'un homopolymère réticulé. Le monomère multi-insaturé étant relativement court et le taux de réticulation faible, une certaine proportion de fonctions polymérisables restent disponibles pour une nouvelle réaction de polymérisation. Un mélange réactionnel servant à la synthèse du monolithe est alors introduit dans les micro-canaux et au cours d'une troisième irradiation UV permettant la polymérisation de ce monolithe, le processus de réticulation va inclure les fonctions polymérisables présentes sur l'homopolymère intermédiaire dans la structure finale du monolithe, résultant en une liaison covalente entre la phase stationnaire et la surface plastique. Néanmoins, ces deux techniques sont problématiques du fait de l'utilisation de benzophénone qui est toujours présente au final de manière résiduelle et qui rend impossible l'utilisation du substrat obtenu pour l'analyse d'amines. De plus, la présence d'une couche de polymère réticulé intermédiaire de nature différente de celle du monolithe contenu dans le volume du canal réduit les performances chromatographiques du dispositif obtenu. Une autre technique (brevet WO 2009/048933) consiste à activer la surface avec un faisceau d'électrons, à greffer un monomère acrylate possédant une fonction photoréactive, et à faire réagir cette fonction photoréactive avec un mélange réactionnel à base de monomère acrylate. L'invention vise à remédier aux inconvénients des techniques antérieures, en fournissant un procédé plus simple, plus performant et plus économique.

Dans ce contexte, la présente invention propose un procédé de modification de la surface d'un substrat constitué d'un polymère comportant des atomes d'hydrogène abstractibles, dans lequel on met en contact, sous photo-activation, le substrat avec un mélange contenant au moins un monomère vinylique multi-insaturé, un agent initiateur de polymérisation, au moins un agent porogène, de manière à réaliser, simultanément par photo-activation, une abstraction d'hydrogène à la surface du polymère par l'agent initiateur et une polymérisation-réticulation du ou des monomères présents conduisant à la formation d'un polymère réticulé sous la forme d'un monolithe poreux greffé par liaison covalente à la surface du substrat.

Dans le cadre de l'invention, un seul mélange réactionnel est utilisé, et une seule irradiation est menée pour déclencher à la fois la polymérisation et l'ancrage. Contrairement à la technique précédemment employée qui utilise deux ou trois mélanges réactionnels (benzophénone, monomère bifonctionnel, mélange pré-monolithique), deux rinçages (entre les étapes) et trois irradiations UV, le procédé selon l'invention est beaucoup plus simple, plus performant et plus économique. Dans le procédé selon l'invention, l'agent initiateur de polymérisation joue également le rôle d'abstracteur d'hydrogène, cette abstraction d'hydrogène conduisant à la formation de radicaux à la surface du substrat qui réagissent avec les radicaux formés dans le mélange réactionnel, ce qui conduit à la fois au greffage et à la croissance du monolithe formé par réaction de polymérisation/réticulation. De plus, le procédé selon l'invention n'utilise pas de benzophénone.

Un autre avantage se dégage du fait de n'avoir qu'une seule nature de polymère et non une couche intermédiaire de polymère réticulé formé de monomères bi-fonctionnels localisée à la surface du substrat, ce qui a des conséquences par la suite, lorsque le substrat est utilisé en chromatographie, sur les performances séparatives du système chromatographique. Le procédé selon l'invention est parfaitement adapté pour la fixation de phases stationnaires dédiées à la chromatographie liquide, mais peut également être utilisé pour tout greffage de polymère photoinitié sur une surface polymérique, notamment pour en modifier les propriétés chimiques (apport de charges, caractère hydrophile, ...). L'invention a également pour objet un dispositif micro-fluidique comprenant un substrat en un polymère comportant des atomes d'hydrogène abstractibles dans lequel au moins un canal est aménagé et sur lequel un polymère réticulé formant un monolithe poreux est greffé par liaison covalente, directement sur la surface du canal, sans couche polymérique intermédiaire et, en particulier, un dispositif micro-fluidique susceptible d'être obtenu selon le procédé de l'invention dans toutes ses variantes de mise en oeuvre. Un tel dispositif est exempt de benzophénone. Le plus souvent, le ou les canaux aménagés dans le substrat auront une section droite transversale dont la plus grande dimension (ce qui correspond au diamètre dans le cas de canaux de section circulaire ou au plus grand tâté du rectangle dans le cas de canaux de section rectangulaire) appartient à la gamme allant de 10 à 200 microns, de préférence à la gamme de 50 à 100 microns, dimensions qui sont particulièrement adaptées aux systèmes chromatographiques miniaturisés. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif conforme à l'invention dans la chromatographie en phase liquide. Les procédés et dispositifs selon l'invention vont être détaillés dans la description qui va suivre.

Le procédé selon l'invention n'est nullement limité à des polymères particuliers, en ce qui concerne le substrat. La seule contrainte est que le polymère constitutif du substrat doit présenter des hydrogènes abstractibles, c'est-à-dire des hydrogènes capables d'être enlevés sous photo-activation, en présence d'un abstracteur d'hydrogène, pour former des radicaux. A titre d'exemple, de tels atomes d'hydrogène abstractibles sont, par exemple, les atomes d'hydrogène secondaires activés, c'est-à-dire en position alpha par rapport à un atome d'azote (fonction amine) ou d'oxygène (fonction vinyle, fonction ether) ou encore les atomes d'hydrogène tertiaires ou secondaires. Les fonctions chimiques amines, vinyles, esters, alcools, alcènes et alcanes sont susceptibles de présenter de tels atomes d'hydrogène. Le polymère constitutif du substrat est, de préférence, un polymère 10 thermoplastique, ce qui apporte des facilités de moulage pour obtenir un substrat adéquat. Le polymère thermoplastique constitutif du substrat est, par exemple, choisi parmi les poly(méthyl méthacrylates), les poly(butyl méthacrylates), , les polyoléfine, les copolymères d'oléfine cyclique, les polyéthylènes, les 15 polypropylènes, les poly(éthylène téréphtalates), les poly(butylène téréphtalate), les polyimides, les polycarbonates et les polystyrènes hydrogénés. En particulier, on pourra utiliser un copolymère d'oléfine cyclique, également nommé COC. La formule chimique d'un exemple de copolymère d'oléfine cyclique est 20 donné ci-après, les étoiles indiquant la présence d'hydrogènes tertiaires aisément abstractibles : Dans le cas des dispositifs micro-fluidiques, la forme du substrat peut être de tout type. En particulier, des substrats miniaturisés adaptés à la 25 chromatographie en phase liquide seront préférés. En particulier, il est avantageux que le ou les canaux aménagés dans le substrat qui sont le plus souvent de section transversale rectangulaire aient le plus grand côté de leur section transversale qui appartient à la gamme allant de 10 à 200 microns. Bien souvent les canaux auront une section transversale fermée, de 30 sorte que la lumière devra traverser le substrat pour pouvoir réaliser la photo-initiation sur tout ou partie du canal. De préférence, le polymère constitutif du substrat sera alors transparent à la lumière dans une gamme de longueurs d'onde allant de 200 à 400 nm, en particulier dans une gamme allant de 2.40 à 380 nm, les irradiations se faisant en général à une longueur d'onde de 254 nm, 365 nm ou 380 nm. Par ailleurs, le polymère constitutif du substrat est, pour ce type d'applications en chromatographie, de préférence, inerte chimiquement vis-à-vis des principaux solvants utilisés en chromatographie liquide. En particulier, le polymère constitutif du substrat ne réagira pas avec l'acétonitrile, le méthanol, le tétrahydrofuran, le 1-propanol, le 2-propanol et l'acétone. Par ailleurs, le polymère constitutif du substrat est, pour ce type de synthèse de monolithe organique, de préférence, inerte chimiquement vis-à-vis des principaux solvants utilisés lors de cette synthèse. En particulier, le polymère constitutif du substrat ne réagira pas avec l'acétonitrile, les alcools, et en particulier le méthanol, le 1-propanol, le 2- propanol, le cyclohexanol et le dodécanol. Dans le cadre de l'invention, l'ensemble des réactifs nécessaires pour former le monolithe polymérique souhaité, à savoir le ou les monomère(s), le ou les agents porogènes et l'agent initiateur sont introduits dans un même mélange réactionnel avec lequel le substrat va être mis en contact et soumis à une photo-irradiation. L'agent initiateur est, par exemple, choisi parmi l'éther de méthyl benzoine (BME), l'azobisisobutyronitrile (AIBN), les dérivés d'éthers de benzoine, les dérivés de benzyl ketals, les alkylphénones et les thioxanthones. Dans le cadre de l'invention, l'agent initiateur est utilisé dans des quantités suffisantes pour permettre à la fois l'abstraction d'hydrogène et la polymérisation radicalaire conduisant au monolithe poreux. Les proportions du mélange réactionnel seront adaptées par l'homme du métier, de manière à procéder simultanément à la synthèse du polymère et à son ancrage par abstraction d'hydrogène sur la paroi du substrat. Les quantités d'agent initiateur seront dépendantes de l'agent initiateur utilisé. Le plus souvent, l'ancrage par abstraction d'hydrogène et la synthèse du monolithe se réalisent simultanément dés lors que la teneur en photoinitiateur est supérieure ou égale à 0,50/0, de préférence supérieure ou égale à 1°/o, en masse par rapport à la masse totale du ou des monomères utilisés dans le mélange réactionnel avec lequel le substrat est mis en contact. En général, la quantité d'agent initiateur utilisée sera inférieure ou égale à 10%, en masse par rapport à la masse totale du ou des monomères utilisés. Pour améliorer la tenue en pression et les performances électrochromatographiques, l'homme de métier adaptera la teneur en photoinitiateur dans le mélange réactionnel en fonction de la nature de ce photoinitiateur et du monolithe désiré. A titre illustratif, lorsque l'agent initiateur est le BME, celui-ci est, de préférence utilisé à raison de 1 à 5 %, et préférentiellement d'environ 2,5 %, en masse par rapport à la masse totale des monomères. A titre illustratif, lorsque l'agent initiateur est l'AIBN, celui-ci est, de préférence utilisé à raison de 2 à 7 %, et préférentiellement d'environ 2,5 %, en masse par rapport à la masse totale des monomères. Pour les autres réactifs nécessaires à la préparation du monolithe polymérique, on pourra se référer aux techniques déjà décrites dans l'art antérieur notamment par Svec, F.; Fréchet, J. M. 3. Anal. Chem. 1992, 64, 820 et J. Chrom. A 2010, 1217, 902-924 et dans les brevets U.S. 5,334,310; US 5,453,185; 5,728,457 qui décrivent des compositions monolithiques pour les colonnes chromatographiques et leur procédé de préparation. La structure des monolithes obtenue est contrôlée, en faisant varier notamment la composition du mélange utilisé pour la polymérisation et/ou la durée de polymérisation. Erg particulier, les monolithes obtenus pourront être des substrats macro ou microporeux ou présenter une double porosité micro/macro.

La polymérisation radicalaire par photo-activation est, notamment, réalisée avec au moins un monomère vinylique de valence supérieure ou égale à 4, appelé multi-insaturé. Les monomères vinyliques de valence égale à 2 sont nommés mono-insaturés. Par "Monomère", on entend une entité qui par une réaction de polymérisation conduit à un assemblage covalent répété un grand nombre de fois et forme une macromolécule appelée polymère. Les monomères éthyléniques sont ceux dont la polymérisation résulte d'une réaction d'addition sur une double-liaison éthylénique. Les monomères vinyliques sont des monomères éthyléniques porteurs d'un substituant autre qu'un groupe alkyle. Un monomère vinylique mono-insaturé, également nommé monomère de valence 2 possède un seul groupement vinylique pouvant former des liaisons covalentes dans le processus de polymérisation.

Un monomère vinylique poly-insaturé, (notamment de valence 4, 6, ...) possède plusieurs groupements vinyliques pouvant former des liaisons covalentes dans le processus de polymérisation. Il est par exemple possible d'utiliser uniquement un monomère vinylique multi-insaturé, ou un mélange de plusieurs monomères vinyliques multi-insaturés, ou encore un mélange d'au moins un monomère vinylique multi-insaturé et d'au moins un monomère vinylique mono-insaturé. Les monomères vinyliques multi-insaturés possèdent au moins 2 groupements vinyliques et jouent le rôle d'agent de réticulation, le processus de polymérisation conduisant alors à un réseau tridimensionnel. De préférence, au moins un des monomères utilisés est porteur d'un groupement fonctionnel. Le polymère constituant le monolithe poreux sera, par exemple, un homopolymère d'un monomère vinylique multi-insaturé, ou un copolymère de différents monomères vinyliques multi-insaturés ou un copolymère de monomères vinyliques multi-insaturés) et mono-insaturé(s). Le ou les monomères vinyliques multi-insaturés sont, par exemple, choisis parmi les alkylène diacrylates, alkylène diméthacrylates, hydroxyalkylène diacrylates, hydroxyalkylène diméthacrylates, alkylène bisacrylamides, alkylène bisméthacrylamides, dans lesquels les groupements alkylène comprennent, de préférence, de 1 à 18 atomes de carbone, les oligoéthylène glycol diacrylates, oligoéthylène diméthacrylates, diallyl esters d'acide polycarboxylique, les divinyl éthers, pentaérythritol di-, tri-, ou tetraacrylates, pentaérythritol di-, tri-, ou tetra méthacrylates, triméthylopropane triacrylates, triméthylopropane triméthacrylates et les phenylène diacrylates. En particulier, le monolithe peut être obtenu à partir d'un mélange de monomères multi-insaturés choisis parmi le 2,4 butanediol diacrylate, l'éthylène diméthacrylate, le phénylène diacrylate, le triméthylolpropane triméthacrylate, le pentaérythritol triacrylate et le pentaérythritol diacrylate monostéarate. Il est possible d'utiliser, en plus du ou des monomères multi-insaturés, un monomère monovinylique porteur d'un groupe fonctionnel, notamment hydrophile, hydrophobe, ionisable, réactif. A titre d'exemple de tels monomères porteurs d'un groupe fonctionnel, on peut citer l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acrylamide, le méthacrylamide, les alkyl acrylamides, alkyl méthacrylamides, alkyl acrylates et méthacrylates, alkyl acrylates perfluorés et alkyl méthacrylates per-fluorés, hydroxyalkyl acrylates, hydroxyalkyl méthacrylates, dans lesquels les groupes alkyle comprennent, par exemple, de 1 à 18 atomes de carbone, les vinylazlactones, oligoéthylèneoxide acrylates, oligoéthylèneoxide méthacrylates, les dérivés d'acrylate et de méthacrylate qui comprennent une amine primaire, secondaire, tertiaire ou quaternaire ou un zwittérion, et les dérivés d'acrylate ou de méthacrylate qui comprennent des groupements aromatiques. Des exemples plus précis de monomères porteurs d'un groupe fonctionnel sont le méthyl acrylate, méthyl méthacrylate, butyl acrylate, butyl méthacrylate, tert-butyl acrylate, tert-butyl méthacrylate, 2-hydroxyéthyl acrylate, hexyl acrylate, hexyl methacrylate, lauryl acrylate, lauryl méthacrylate, 2-hydroxyéthyl méthacrylate, glycidyl acrylate, glycidyl méthacrylate, 3-sulfopropyl acrylate, 3-sulfopropyl méthacrylate, pentafluorophényl acrylate, pentafluorophényl méthacrylate, 2,2,3,3,4,4,4- heptafluorobutyl acrylate, 2,2,3,3,4,4,4-heptafluorobutyl méthacrylate, 1H,1H-perfluorooctyl acrylate, 1H,1H-perfluorooctyl méthacrylate, acrylamide, méthacrylamide, N-éthylacrylamide, N-isopropylacrylamide, N-[3- (diméthylamino)propyl]méthacrylamide, acide 2-acrylamido-2-méthyl-1- propanesulfonique, acide 2-acrylamidoglycolique, chlorure de [2- (méthacryloyloxy)éthyl]-triméthylammonium, hydroxide de [2- (méthacryloyloxy)éthyl]diméthyl(3-sulfopropyl)ammonium, 2-vinyl-4,4- diméthyl-azlactone, et naphthyl méthacrylate. De manière préférée, la polymérisation par photo-activation est réalisée entre au moins un monomère acrylate ou méthacrylate porteur d'un groupement fonctionnel et au moins un monomère acrylate ou méthacrylate multi-insaturé jouant le rôle d'agent réticulant.

A titre d'exemple de monomère acrylate ou méthacrylate porteur d'un groupement fonctionnel pouvant être utilisé, on peut citer le butyl acrylate, butyl méthacrylate, hexyl acrylate, hexyl méthacrylate, lauryl acrylate, lauryl méthacrylate, octadécyl acrylate, octadécyl méthacrylate, glycidyl acrylate, glycidyl méthacrylate, acide 2-acrylamido-2-méthyl-1-propanesulfonique, [2- (méthacryloyloxy)éthyl]-triméthylammonium, et [2-(méthacryloyloxy)éthyl]-triéthylammonium. A titre d'exemple de monomère acrylate ou méthacrylate multiinsaturés jouant le rôle d'agent réticulant qui peut être utilisé, on peut citer le 1,4-butanediol diacrylate, l'éthylène diméthacrylate, le triméthylolpropane triméthacrylate, le pentaérythritol triacrylate et le pentaérythritol diacrylate monostéarate. La polymérisation est menée en présence d'au moins un agent porogène, qui confère la porosité au monolithe obtenu et permet d'obtenir la porosité souhaitée. Le ou les solvants utilisés, lorsque des solvants sont utilisés, pourront servir d'agent porogène. Le ou les agents porogènes utilisés, seront, par exemple choisis parmi l'eau, l'acétonitrile, les alcools, les esters, éthers, cétones et solutions de polymères hydrosolubles. De préférence, on choisira le ou les agents porogènes parmi l'eau, l'acétonitrile, le méthanol, l'éthanol, le 1-propanol, le 1,4-butanediol, le dodécanol et le cyclohexanol. Le ou les agents porogènes, et en particulier les solvants utilisés, pourront, par exemple représenter de 40 â 80% en masse, de préférence de 50 â 70% en masse, par rapport â la masse totale du mélange utilisé pour effectuer la polymérisation. Les % peuvent être extrêmement variables d'un monolithe à l'autre car la structure 3D dépend de la solubilité des constituants et donc l'homme du métier ajustera le % des différents constituants du mélange pour obtenir un équilibre et donc une structure homogène. Cet ajustement sera fonction du ou des monomères utilisés et de leurs proportions relatives dans le cas de plusieurs monomères. Le mélange utilisé pour la polymérisation est, en général, un mélange homogène, dans lequel le ou les monomères utilisés sont solubles. L'ordre d'introduction des réactifs dans le mélange utilisé n'a que peu d'importance, hormis pour l'agent initiateur qui sera, de préférence, introduit en dernier. Le mélange réactionnel comprendra en général au moins 10%, de préférence au moins 15% en masse de monomère(s). La polymérisation est, le plus souvent, menée sous irradiation UV à une longueur d'onde comprise dans la gamme allant de 200nm à 400 nm, et plus particulièrement dans la gamme allant de 250 nm à 380 nm. L'énergie d'irradiation est, en général, de 0,5 3.cm-2 à 9 3.cm-2, et plus particulièrement de 1 à 3 J.cm-2. La durée d'irradiation est, par exemple, de 5 à 60 min, de préférence de 10 à 30 min. Les exemples ci-après, en référence aux Figures annexées, sont donnés à titre purement illustratif et permettent de mieux comprendre l'invention. La Figure 1 présente l'évolution, en fonction du temps d'irradiation, des mesures d'angle de contact sur surface COC après irradiation d'un mélange PEGMA-BME (Fig 1A) et PEGMA-AIBN (Fig 1B) contenant 0,03 M PEGMA dans l'acétone à différents pourcentages (en masse) du photoinitiateur BME ou AIBN. La Figure 2 présente des photographies au microscope électronique à transmission (MEB) d'une section du dispositif préparé à l'exemple 2, montrant un monolithe réalisé dans un microsystème COC avec différents pourcentages de photoinitiateur. A - 0% BME ; B - 0,5% BME ; C- 1.5% BME ; D - 2,5% BME. La Figure 3 présente les hauteurs de plateau théoriques de l'anthracène en fonction du champ électrique de séparation, sur un monolithe HA-BDDA synthétisé avec 0,5% BME et 2,5% BME préparé conformément à l'exemple 3. Phase mobile 70/30 (v/v) ACN/eau + 2 mM NH4 H2 PO4 + 5 mM LiDS. Injection directe ikV, 5s. Exemple 1: Greffage de molécules fonctionnelles sur le substrat COC - Mise en évidence de l'abstraction d'hydrogène Cet exemple illustre la capacité de la BME et de l'AIBN à simultanément abstraire un hydrogène et déclencher la polymérisation photo-initiée. Des plaques de COC ont été greffées par irradiation d'un mélange de polyéthylèneglycol méthacrylate (PEGMA) et de photoinitiateur (BME ou AIBN). Le choix du Pegma est motivé par le fait qu'une fois polymérisé, ce monomère augmente le caractère hydrophile du substrat COC. Lors de cette expérience, une solution de PEGMA (Acros Organics, Noisy-Le-Grand, France) d'une concentration de 0,03 M dans l'acétone est mélangée à un certain pourcentage en masse de photoinitiateur (AIBN ou BME). Les pourcentages massiques testés par rapport à la masse totale de monomères sont 0% ; 0,5% ; 2,5% et 5%. Le mélange est déposé entre deux plaques de COC (Microfluidic Chipshop, )ena, Allemagne) d'une épaisseur de imm chacune, puis irradié à 355 nm sous 5 tubes UV de 8W chacun (Biolink crosslinker, VWR, Strasbourg, France) avec une énergie correspondant à 0,95]/cm2 par tranche de 10min. Les plaques sont ensuite séparées et rincées intensivement à l'eau et à l'éthanol de manière à éliminer tout le PEGMA résiduel. Ensuite, les plaques sont placées dans un bain à ultrasons de manière à éliminer également tout homopolymère non ancré, puis séchées.

Le COC étant uniquement composé de carbone et d'hydrogène, toute molécule restant ancrée au substrat l'est forcément par le résultat d'une abstraction d'hydrogène. Le monomère PEGMA étant divalent, c'est-à-dire mono-insaturé, il résulte de cette expérience que seuls les copolymères dont l'initiation a débuté par abstraction d'hydrogène sur le substrat COC restent présents sur la surface après cette procédure de rinçage.

La quantité de copolymère PEGMA présente est donc directement reliée à l'importance qu'a atteinte l'abstraction d'hydrogène dans le processus d'initiation polymérique. Le PEGMA étant un monomère hydrophile et le COC un polymère connu pour ses propriétés hydrophobes, le taux de greffage de PEGMA sur le COC peut être suivi par mesure d'angle de contact. Ces mesures ont été effectuées par le dépôt d'une goutte d'eau et la détermination de l'angle à l'aide de l'instrument Digidrop Contact Meter (GBX, Bourg de Péage, France), à température ambiante. La Figure 1 montre les différents résultats obtenus pour différentes 10 durées d'irradiation des mélanges PEGMA-BME (Fig 1A) et PEGMA-AIBN (Fig 1B). On remarque tout d'abord qu'en l'absence de photoinitiateur, la présence de monomère PEGMA ne suffit pas à induire son ancrage sur la paroi en COC, quelle que soit la durée d'irradiation. Quel que soit l'initiateur 15 et sa concentration, l'irradiation à 365 nm initie bien une abstraction d'hydrogène suivie d'un ancrage de PEGMA. Cet ancrage est d'autant plus important que la concentration est importante, générant un plus grand nombre de points d'ancrage à la surface, pour atteindre un optimum à 2,5% d'initiateur. Une concentration supérieure à 2,50/0 (% en poids par rapport au 20 poids de monomère) semble créer un effet d'écrantage lors du processus d'irradiation et donc un comportement chaotique. Pour une concentration donnée, l'abstraction d'hydrogène et l'ancrage qui s'en suit augmentent avec la durée d'irradiation, jusqu'à atteindre un seuil. On notera que lorsque l'AIBN, qui a un moins bon rendement sous 25 photoinitiation que la BME, est utilisé, il est nécessaire d'irradier 30 min (2,85 J/cm2) pour obtenir un ancrage maximal. Cet exemple non seulement démontre que la BME et l'AIBN réagissent sur la surface du COC par abstraction d'hydrogène, mais met également en évidence une application possible qui consiste à modifier chimiquement les 30 propriétés du substrat par photoinitiation, celle-ci pouvant être réalisée de manière localisée et contrôlée.

Exemple 2 : Synthèse et ancrage simultanés d'un monolithe acrylate dans un microcanal d'un dispositif en COC Cet exemple illustre la synthèse et l'ancrage simultanés d'un monolithe hexyl acrylate dans un microsystème en copolymère d'oléfine cyclique pour la mise en oeuvre de l'électrochromatographie. Un mélange réactionnel est préparé à partir d'un monomère fonctionnel hydrophobe, l'hexyl acrylate (HA), d'un monomère fonctionnel anionique, l'acide 2-acrylamido-2-méthyl-l-propanesulfonique (AMPS), et d'un monomère polyvinyllique, le 1,3 butanediol diacrylate (BDDA). Le mélange de monomères est composé comme suit : 65,4 %m/m de HA et 33,6 %m/m of BDDA + 0,5% AMPS. Le porogène est constitué de 54 % acétonitrile, 23 éthanol, 23% eau (%m/m). Le rapport monomère/porogène est de 34,5 : 65,5 en poids. Le photoinitiateur est ajouté à différents pourcentages (en poids par rapport au poids des monomères) : 0,5 ; 1,5 ; 2,5 et 3%. Tous les réactifs et les solvants proviennent de Sigma (Isle d'Abeau, France). Le microsystème est fabriqué par Microfiuidic Chipshop (Jena, Allemagne). Il est en copolymère d'oléfine cyclique de marque Topas. La structure est moulée dans une plaque de imm d'épaisseur et refermée par une plaque de 130 pm d'épaisseur. Le canal a une dimension de 58,5 mm x 100pm x 100pm. Après dissolution des différents réactifs et dégazage par ultrasons, le mélange réactionnel est introduit par capillarité dans le microsystème sans aucun traitement préalable. Le dispositif est ensuite irradié à 365 nm sous 5 tubes UV de 8W chacun (Biolink crosslinker, VWR, Strasbourg, France) pendant 20min, soit 1,9 ]/cm2. Les photographies MEB obtenues sont présentées en Figure 2 et montrent que l'ancrage du monolithe, qui est réalisé par abstraction d'hydrogène sur la paroi en COC simultanément à la synthèse, voit son importance dépendre de la quantité d'initiateur introduit dans le mélange réactionnel, la structure du monolithe et notamment la taille des nodules n'étant pas reliée à cette quantité d'initiateur. Sans initiateur, il n'y a ni ancrage, ni synthèse de monolithe (Fig 2A). Dès l'utilisation d'une teneur de 0,50/0, l'ancrage apparaît sur les photographies MEB (Fig 2B). Plus la quantité d'initiateur est importante et plus le nombre de nodules interconnectés entre la paroi et le monolithe est important (Fig 2B à 2D). Cela se traduit également par une plus grande résistance à la pression, un monolithe ancré avec 0,50/0 BME résiste à 4-5 bars, tandis qu'un monolithe synthétisé avec 2,5% de BME résiste à une pression de 30 bars. Exemple 3: Comparaison des performances électrochromatographiques L'ancrage par abstraction d'hydrogène et la synthèse du monolithe se réalisent simultanément dès lors que la teneur en photoinitiateur est supérieure à 0,50/0 (en poids par rapport au poids des monomères). Cependant, pour améliorer la tenue en pression et les performances électrochromatographique, l'homme de métier devra adapter la teneur en photoinitiateur dans le mélange réactionnel en fonction de la nature de ce photoinitiateur et du monolithe désiré. Dans cet exemple décrivant la synthèse d'un monolithe acrylate dans un microsystème en COC, il a été mis en évidence que si 0,5% et 2,5% en photoinitiateur conduisent à un ancrage et une synthèse simultanée, les dispositifs obtenus avec ces deux teneurs ne présentent pas les mêmes caractéristiques.

Le dispositif est réalisé selon le protocole décrit dans l'exemple 2. Après irradiation, il est rincé par flux électroosmotique avec une phase mobile 70% acétonitrile, 30% eau + 2mM phosphate d'ammonium et 5 mM de dodécylsulfate de lithium (LiDS), sous un champ électrique de 617 V/cm. Les champs électriques sont appliqués à l'aide d'un générateur de tension (Micralyne, Canada). La détection est effectuée par fluorescence sur un microscope (IX-71, Olympus, France) équipé d'une lampe à mercure 100W et d'un filtre d'excitation à 330 nm (collecte au-dessus de 400nm) (XF02-2, Omega, USA). Une caméra CCD combine à un logiciel d'analyse de données (Alliance Vision, France) permet la collecte et la conversion du signal de fluorescence, tandis que les pics chromatographiques sont analysés par le logiciel Azur (Datalys, France).

Les performances électrochromatographiques sont enregistrées sous la forme de la hauteur de plateaux théoriques du pic d'anthracène après injection de celui-ci par un protocole décrit dans une publication précédente (Ladner, Y. et al.; J. Chrom. A, 2010, 1217, 8001-8008) et présentées Figure 4. La vitesse linéaire de la phase mobile est reliée par le phénomène d'électroosmose au champ électrique appliqué. On observe que les performances chromatographiques sont très nettement améliorées lorsque l'ancrage est réalisé avec une quantité d'initiateur de 2,5%. L'efficacité est multipliée par 3 à la vitesse optimale d'utilisation et par 3,5 à la vitesse maximale atteignable, qui est limité par le champ électrique délivré par le générateur. Exemple 4 - Essai comparatif et démonstration de l'absence ou de présence de benzophénone Le microsystème est fabriqué par Microfluidic Chipshop (Jena, Allemagne). Il est en copolymère d'oléfine cyclique de marque Topas. La structure est moulée dans une plaque de 1mm d'épaisseur et refermée par une plaque de 130 pm d'épaisseur. Le canal a une dimension de 58.5 mm x 100pm x 100pm.

Dispositif fabriqué avec une première étape selon l'art antérieur Un premier dispositif est préparé avec une couche intermédiaire selon un procédé proche de Stachowiak et al. (Electrophoresis 2003,24, 3689-3693). Un mélange contenant 14000 d'acétone, 50 mg benzophénone et 600pl de 1,3 butanediol diacrylate est introduit dans le microsystème et l'ensemble est irradié à 365 nm sous 5 tubes UV de 8W chacun (Biolink crosslinker, VWR, Strasbourg, France) pendant 5min, soit 0,95 J/cm2. Le système est ensuite rincé avec de l'éthanol puis de l'acétone à l'aide d'une seringue, pour éliminer tout réactif résiduel. Puis le système est séché.

Dispositif fabriqué selon l'invention Le deuxième dispositif est préparé sans la couche intermédiaire. Il est simplement rincé avec de l'acétone puis séché.

Ensuite, l'étape suivante est la même dans les deux cas. Un mélange réactionnel est préparé à partir d'un monomère fonctionnel hydrophobe, l'hexyl acrylate (HA), d'un monomère fonctionnel anionique, le 2-acrylamido-2-methyl-l-propanesulfonic acid (AMPS), et d'un monomère polyvinyllique, le 1,3 butanediol diacrylate (BDDA). Le mélange de monomères est composé comme suit : 66,4 %v/v de HA and 33,6 %v/v of BDDA + 0,50/o AMPS. Le porogène est constitué de 54 % acétonitrile, 23 % éthanol, 23% eau (%v/v). Le rapport monomère/porogène est de 34,5 : 65,5 en poids. Le photoinitiateur est ajouté à 2,5% (en poids par rapport au poids des monomères). Tous les réactifs et les solvants proviennent de Sigma (Isle d'Abeau, France). Après dissolution des différents réactifs et dégazage par ultrasons, le mélange réactionnel est introduit par capillarité dans les deux dispositifs. Les dispositifs sont ensuite irradiés à 365 nm sous 5 tubes UV de 8W chacun (Biolink crosslinker, VWR, Strasbourg, France) pendant 20min, soit 1,9 3/cm 2. Les deux dispositifs sont réalisés simultanément et sont ensuite testés simultanément selon le protocole ci-dessous, pour mettre en évidence la présence ou l'absence de benzophénone.

Le protocole général est le suivant : Le dispositif est tout d'abord rincé avec une phase mobile constituée de 70% (v/v) acétonitrile, 30% (v/v) d'eau + 2mM phosphate d'ammonium pH 6 + 5mM de dodecylsulfate de lithium pendant 30min. La fluorescence émanant du polymère est enregistrée sous une 25 excitation de 405 nm (t 20 nm) et une collecte de signal >500nm. Après le rinçage, la fluorescence enregistrée doit être négligeable. Une solution d'amine primaire dérivée par la naphtalène-2,3-dicarboxaldéhyde (NDA) est préparée selon le protocole suivant : 1m1 de NDA (2,9mM dans 50/50 acétonitrile/eau) + 1ml de tetraborate de 30 sodium 5mM pH 9 + 1mL d'amine primaire imM. La dérivation se déroule en quelques minutes au cours desquelles la solution devient jaune.

La solution est ensuite diluée par 10 dans la phase mobile (constituée de 70% (v/v) acétonitrile, 30% (v/v) d'eau + 2mM phosphate d'ammonium pH 6 + 5mM de dodecylsulfate de lithium. La solution d'amine dérivée NDA est injectée dans le dispositif sous la forme d'un créneau, puis le dispositif est rincé pendant 10 min avec la phase mobile. Dans le cas de dispositif ne contenant pas de résidus de benzophénone, ce qui est le cas du dispositif selon l'invention, la fluorescence redescend à son niveau initial après rinçage.

Dans le cas de dispositifs dont le monolithe a été ancré via un traitement avec la benzophénone, les résidus présents réagissent avec le dérivé amine-NDA et la fluorescence après rinçage reste importante. Dans le cas où un doute pourrait subsister, des injections répétés suivies de rinçage conduisent à une fluorescence importante en présence de benzophénone, tandis qu'une fluorescence négligeable est observée dans le cas d'un dispositif élaboré selon l'invention présente. Test réalisé et résultats : Le rinçage avec la phase mobile est effectué sous un champ électrique de 683 V/cm pendant 30min. Puis l'amine dérivée, ici de l'histamine, est injectée sous 512 V/cm pendant 10s. Enfin, le rinçage est effectué avec la phase mobile décrite ci-dessus, à 683 V/cm pendant 10min. Après une première mesure de fluorescence, une deuxième injection est effectuée, suivie d'un rinçage avant deuxième mesure. Le Tableau 1 résume l'évolution de la fluorescence en relatif par rapport à la fluorescence initiale du système. Tableau 1: Evolution de la fluorescence en relatif par rapport à la fluorescence initiale.30 Injection Dispositif avec Dispositif sans benzophénone benzophénone 1 +173% +2% 2 +190% +6% On remarque que la fluorescence résiduelle après rinçage est très importante dans le dispositif ayant été traité avec de la benzophénone, tandis que le dispositif selon l'invention n'ayant pas reçu de benzophénone pendant sa synthèse est non fluorescent après rinçage. La présence de benzophénone est donc aisément détectée par ce test simple à mettre en oeuvre.

Claims (19)

1. REVENDICATIONS1- Procédé de modification de la surface d'un substrat constitué d'un polymère comportant des atomes d'hydrogène abstractibles, dans lequel on met en contact, sous photo-activation, le substrat avec un mélange contenant au moins un monomère vinylique multi-insaturé, un agent initiateur de polymérisation, au moins un agent porogène, de manière à réaliser, simultanément par photo-activation, une abstraction d'hydrogène à la surface du polymère par l'agent initiateur et une polymérisationréticulation conduisant à la formation d'un polymère réticulé sous la forme d'un monolithe poreux greffé par liaison covalente à la surface du substrat.
2. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'agent initiateur est choisi parmi l'éther de méthyl benzoine (BME), l'azobisisobutyronitrile (AIBN), les dérivés d'éthers de benzoine, les dérivés de benzyl ketals, les alkylphénones et les thioxanthones.
3. 3 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'agent initiateur est présent dans le mélange à raison d'au moins 0,50/0, et de préférence d'au moins 10/0 en masse, par rapport à la masse totale de monomère(s) présent(s).
4. 4 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la polymérisation par photo-activation est réalisée avec uniquement un monomère vinylique multi-insaturé, ou avec un mélange de plusieurs monomères vinyliques multi-insaturés, ou encore avec un mélange d'au moins un monomère vinylique multi-insaturé et d'au moins un monomère vinylique mono-insaturé.
5. 5 - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la polymérisation est réalisée avec au moins un monomère vinylique mono-insaturé porteur d'un groupement fonctionnel, choisi parmi l'acide acrylique, l'acide méthacrylique, l'acrylamide, le méthacrylamide, les alkyl acrylamides, alkyl méthacrylamides, alkyl acrylates et méthacrylates, alkyl acrylates perfluorés et alkyl méthacrylates perfluorés, hydroxyalkyl acrylates, hydroxyalkyl méthacrylates, dans lesquels les groupes alkyle comprennent, par exemple, de 1 à 18 atomes de carbone, les vinylazlactones,oligoéthylèneoxide acrylates, oligoéthylèneoxide méthacrylates, les dérivés d'acrylate et de méthacrylate qui comprennent une amine primaire, secondaire, tertiaire ou quaternaire ou un zwittérion, et les dérivés d'acrylate ou de méthacrylate qui comprennent des groupements aromatiques.
6. 6 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les monomères vinyliques multi-insaturés sont choisis parmi les alkylène diacrylates, alkylène diméthacrylates, hydroxyalkylène diacrylates, hydroxyalkylène diméthacrylates, alkylène bisacrylamides, alkylène bisméthacrylamides, dans lesquels les groupements alkylène comprennent, de préférence, de 1 à 18 atomes de carbone, les oligoéthylène glycol diacrylates, oligoéthylène diméthacrylates, diallyl esters d'acide polycarboxylique, les divinyl éthers, pentaérythritol di-, tri-, ou tetraacrylates, pentaérythritol di-, tri-, ou tetra méthacrylates, triméthylopropane triacrylates, triméthylopropane triméthacrylates et les phenylène diacrylates.
7. 7 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la polymérisation par photo-activation est réalisée entre au moins un monomère acrylate ou méthacrylate multi-insaturé et au moins un monomère porteur d'un groupement fonctionnel.
8. 8 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le monomère multi-insaturé acrylate ou méthacrylate est choisi parmi le 2,4-butanediol diacrylate, l'éthylène diméthacrylate, le triméthylolpropane triméthacrylate, le pentaérythritol triacrylate et le pentaérythritol diacrylate monostearate.
9. 9 - Procédé selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce que le monomère portant le groupe fonctionnel est choisi parmi le butyl acrylate, butyl méthacrylate, hexyl acrylate, hexyl méthacrylate, lauryl acrylate, lauryl méthacrylate, octadecyl acrylate, octadecyl méthacrylate, glycidyl acrylate, glycidyl méthacrylate, acide 2-acrylamido-2-méthyl-1-propanesulfonique, [2- (méthacryloyloxy)éthyl]-triméthylammonium,[2-(méthacryloyloxy)éthyl] -triéthylammonium.
10. 10 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la polymérisation est menée en présence d'au moins un agent porogène choisi parmi l'eau, l'acétonitrile, les alcools, les esters, les éthers, les cétones et les solutions de polymères hydrosolubles.
11. 11- Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le polymère constitutif du substrat est transparent à la lumière dans une gamme de longueurs d'onde allant de 200 à 400 nm
12. 12 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le substrat est en un polymère thermoplastique choisi parmi les poly(méthyi méthacrylates), les poly(butyl méthacrylates), les polyoléfines, les copolymères d'oléfine cyclique, les polyéthylènes, les polypropylènes, les poly(éthylène téréphtalates), les poly(butylène téréphtalate), les polyimides, les polycarbonates et les polystyrènes hydrogénés.
13. 13 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il n'utilise pas de benzophénone.
14. 14 - Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la polymérisation est menée sur tout ou partie du substrat sous irradiation UV à une longueur d'onde appartenant à la gamme allant de 200 nm à 400 nm, et avec une énergie d'irradiation de 0,5 3.cm-2 à 9 J.cm-2, et de préférence de 1 3.cm-2 à 3 3.cm-2
15. 15 - Dispositif micro-fluidique comprenant un substrat en un polymère comportant des atomes d'hydrogène abstractibles dans lequel au moins un canal est aménagé caractérisé en ce qu'un polymère réticulé formant un monolithe poreux est greffé par liaison covalente, directement à la surface du canal, sans couche polymérique intermédiaire.
16. 16 - Dispositif micro-fluidique selon la revendication 15 caractérisé en ce qu'il est susceptible d'être obtenu selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 14.
17. 17 - Dispositif micro-fluidique selon la revendication 15 ou 16 caractérisé en ce que le ou les canaux aménagés dans le substrat ont une section droite transversale dont la plus grande dimension appartient à la gamme allant de 10 à 200 microns, de préférence à la gamme de 50 à 100 microns.
18. 18 - Dispositif selon l'une des revendications 15 â 17 caractérisé en ce qu'il est exempt de benzophénone.
19. 19 - Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 15 â 18 dans la chromatographie en phase liquide.5