EP3085444A1 - Microfluidic device for controlling the flow of a fluid - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'au moins un fluide d'intérêt, comportant un réseau microfluidique (3) comprenant au moins une suite de chambres microfluidiques (5) reliées entre elles de manière séquentielle, chaque chambre microfluidique étant commutable entre un premier état fermé bloquant l'écoulement du fluide d'intérêt et un second état ouvert allouant un volume prédéterminé à ladite chambre tout en pompant le fluide d'intérêt dans ladite chambre.The invention relates to a microfluidic device for controlling the flow of at least one fluid of interest, comprising a microfluidic network (3) comprising at least one series of microfluidic chambers (5) interconnected sequentially, each chamber microfluidic being switchable between a first closed state blocking the flow of the fluid of interest and a second open state allocating a predetermined volume to said chamber while pumping the fluid of interest into said chamber.
Description
La présente invention concerne les dispositifs microfluidiques du type biopuces, et plus particulièrement, un dispositif microfluidique de contrôle et d'enchaînement de plusieurs étapes d'écoulement d'un fluide et un procédé d'analyse mis en oeuvre par un tel dispositif.The present invention relates to microfluidic devices of the biochip type, and more particularly, to a microfluidic device for controlling and sequencing a plurality of fluid flow stages and to an analysis method implemented by such a device.
L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines, comme entres autres les domaines de la recherche médicale, de la biologie et de la pharmaceutique.The invention has applications in many fields, such as among others the fields of medical research, biology and pharmaceuticals.
Un dispositif microfluidique pouvant enchaîner plusieurs étapes d'écoulement d'un fluide est connu dans le domaine des microsystèmes d'analyse médicale ou chimique.A microfluidic device that can chain several stages of flow of a fluid is known in the field of microsystems for medical or chemical analysis.
En effet, la demande de brevet
Toutefois, en exploitant des forces de capillarité afin de faire avancer le liquide, la réussite du blocage/déblocage est dépendante des propriétés de mouillage des parois avec le liquide utilisé. Plus précisément, les paramètres tels que les géométries des vannes et des zones de réaction, les états de surfaces ou les propriétés de mouillage doivent être finement déterminés ce qui complique la réalisation du dispositif. En particulier, l'ajout ou la suppression d'agent mouillant nécessaire à un protocole biologique donné peut être incompatible avec le principe de base des vannes de blocage.However, by exploiting capillary forces in order to advance the liquid, the success of the blocking / unblocking is dependent on the wetting properties of the walls with the liquid used. More precisely, the parameters such as the geometries of the valves and the reaction zones, the surface states or the wetting properties must be finely determined, which complicates the realization of the device. In particular, the addition or removal of wetting agent required for a given biological protocol may be incompatible with the basic principle of the blocking valves.
L'objet de la présente invention est, par conséquent, de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'un fluide parfaitement adapté à un protocole chimique ou biologique et très simple à réaliser.The object of the present invention is, therefore, to overcome the aforementioned drawbacks by proposing a microfluidic device for controlling the flow of a fluid perfectly adapted to a chemical or biological protocol and very simple to achieve.
L'invention a pour objet un dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'au moins un fluide d'intérêt, comportant
- un premier substrat (11) ayant une première surface microfluidique (111),
- un deuxième substrat (13) ayant une deuxième surface microfluidique (131),
- une membrane déformable (15) disposée entre lesdites première et deuxième surfaces microfluidiques,
- au moins une suite de cavités (51) formée sur l'une ou l'autre des première et deuxième surfaces microfluidiques et délimitant avec ladite membrane (15) une suite de chambres microfluidiques, ladite membrane déformable étant apte à être déformée au niveau de chaque chambre microfluidique pour être plaquée contre une partie de la première surface microfluidique (111) ou contre une partie de la deuxième surface microfluidique (131) permettant ainsi de commuter l'état de chaque chambre microfluidique (5) entre un premier état fermé bloquant l'écoulement du fluide d'intérêt et un second état ouvert allouant un volume prédéterminé à ladite chambre, la membrane étant adaptée pour ouvrir ou bloquer le passage du fluide ainsi que pour pomper le fluide depuis une chambre vers au moins une autre chambre, les volumes des différentes chambres à l'état ouvert étant identiques, et
- au moins une suite de canaux microfluidiques de communication (25) formée sur l'une ou l'autre des première et deuxième surfaces microfluidiques, ladite suite de canaux microfluidiques reliant de manière séquentielle ladite suite de chambres microfluidiques, ladite au moins une suite de canaux microfluidiques de communication (25) présentant un volume plus petit que celui de ladite au moins une suite de cavités (51).
- a first substrate (11) having a first microfluidic surface (111),
- a second substrate (13) having a second microfluidic surface (131),
- a deformable membrane (15) disposed between said first and second microfluidic surfaces,
- at least one series of cavities (51) formed on one or the other of the first and second microfluidic surfaces and delimiting with said membrane (15) a succession of microfluidic chambers, said deformable membrane being able to be deformed at each microfluidic chamber for being pressed against a part of the first microfluidic surface (111) or against a part of the second microfluidic surface (131) thus making it possible to switch the state of each microfluidic chamber (5) between a first closed state blocking the flow of the fluid of interest and a second open state allocating a predetermined volume to said chamber, the membrane being adapted to open or block the passage of the fluid as well as to pump the fluid from one chamber to at least one other chamber, the volumes of different rooms in the open state being identical, and
- at least one suite of microfluidic communication channels (25) formed on one or the other of the first and second microfluidic surfaces, said sequence of microfluidic channels sequentially connecting said plurality of microfluidic chambers, said at least one sequence of channels communication microfluidics (25) having a volume smaller than that of said at least one series of cavities (51).
Ainsi, les chambres microfluidiques permettent elles-mêmes de faire déplacer un fluide selon une séquence d'opérations bien maitrisée sans recourir ni à des vannes subsidiaires ni à des pompes et sans dépendre de l'état des surfaces ou propriétés de mouillage des parois desdites chambres. De plus, ce dispositif permet d'avoir un grand nombre de chambres réactionnelles avec des volumes identiques bien calibrés ne nécessitant aucun moyen de mesure tout en minimisant les volumes morts. Ceci permet de transporter de manière facile et précise de(s) volume(s) calibrés de fluide(s) dans le but d'intégrer un protocole fluidique. Ce dispositif est très simple à construire et à utiliser tout en étant très précis. En particulier, la membrane déformable a une double fonction, à savoir une fonction de vanne et de pompe. En effet, elle sert à la fois à bloquer le fluide dans les chambres microfluidiques et à pomper (ou aspirer) le fluide d'une chambre à une autre. Elle permet un actionnement simple et contrôlé de l'état de chaque chambre et permet alors le déplacement d'un liquide de chambre en chambre par un actionnement successif des chambres entre état fermé et état ouvert.Thus, the microfluidic chambers themselves allow to move a fluid in a sequence of well controlled operations without resorting to subsidiary valves or pumps and without depending on the state of the surfaces or wetting properties of the walls of said chambers . Moreover, this device makes it possible to have a large number of reaction chambers with identical volumes that are well calibrated. requiring no means of measurement while minimizing dead volumes. This makes it possible to easily and accurately transport calibrated volume (s) of fluid (s) in order to integrate a fluidic protocol. This device is very simple to build and use while being very accurate. In particular, the deformable membrane has a dual function, namely a valve and pump function. Indeed, it serves both to block the fluid in the microfluidic chambers and to pump (or suck) the fluid from one chamber to another. It allows a simple and controlled actuation of the state of each chamber and then allows the displacement of a chamber liquid chamber by successive actuation of the chambers between closed state and open state.
Avantageusement, au moins une des chambres microfluidiques contient un réactif embarqué (de préférence séché ou lyophilisé) adapté pour réagir avec le fluide d'intérêt.Advantageously, at least one of the microfluidic chambers contains an embedded reagent (preferably dried or freeze-dried) adapted to react with the fluid of interest.
Ainsi, de chambre en chambre, le fluide d'intérêt se mélange au(x) réactif(s) qui est (sont) déjà présent(s) dans le dispositif permettant de réaliser de manière simple un protocole d'analyse chimique ou biologique à plusieurs étapes.Thus, from chamber to chamber, the fluid of interest mixes with the reagent (s) which is (are) already present in the device making it possible in a simple manner to carry out a chemical or biological analysis protocol. many stages.
Avantageusement, le volume d'un canal microfluidique de communication est d'environ dix fois plus petit que le volume d'une cavité. Ceci permet de minimiser l'apparition de bulles d'air et d'éviter la dilution du mélange (fluide et réactifs embarqués) lors du transport de chambre en chambre.Advantageously, the volume of a microfluidic communication channel is about ten times smaller than the volume of a cavity. This makes it possible to minimize the appearance of air bubbles and to avoid dilution of the mixture (fluid and onboard reagents) during transport from room to room.
Avantageusement, le réseau microfluidique comporte un orifice (ou réservoir) d'entrée formé dans le premier substrat et relié à une entrée de ladite au moins une suite de canaux microfluidiques de communication, ledit orifice étant adapté pour recevoir le fluide d'intérêt. Ainsi, un échantillon du fluide d'intérêt peut être facilement injecté dans le dispositif.Advantageously, the microfluidic network comprises an inlet orifice (or reservoir) formed in the first substrate and connected to an inlet of said at least one series of microfluidic communication channels, said orifice being adapted to receive the fluid of interest. Thus, a sample of the fluid of interest can be easily injected into the device.
Avantageusement, le réseau microfluidique comporte un orifice (ou réservoir) de sortie formé dans le premier substrat ou le deuxième substrat et relié à une sortie de ladite au moins une suite de canaux microfluidiques de communication. Ainsi, le mélange peut être facilement récupéré ou évacué.Advantageously, the microfluidic network comprises an outlet orifice (or reservoir) formed in the first substrate or the second substrate and connected to an output of said at least one series of microfluidic communication channels. Thus, the mixture can be easily recovered or evacuated.
Avantageusement, le premier substrat, la membrane et le deuxième substrat sont assemblés de manière à assurer un contact étanche entre la membrane et les première et deuxième surfaces des premier et deuxième substrats tout en aménageant un espace d'écoulement au niveau des cavités et des canaux microfluidiques de communication.Advantageously, the first substrate, the membrane and the second substrate are assembled so as to ensure a tight contact between the membrane and the first and second surfaces of the first and second substrates while providing a space of flow at cavities and microfluidic communication channels.
Ainsi, un bon contact et une bonne étanchéité sont maintenus entre la membrane et les deux substrats.Thus, good contact and good sealing are maintained between the membrane and the two substrates.
Avantageusement, l'assemblage est réalisé par collage, par plasma, ou par un plaquage mécanique.Advantageously, the assembly is carried out by gluing, by plasma, or by mechanical plating.
Ainsi, l'assemblage peut être réalisé par différents procédés avec ou sans colle ou par un simple plaquage mécanique pouvant être assuré par un système de bride.Thus, the assembly can be achieved by different methods with or without glue or by a simple mechanical plating that can be provided by a flange system.
Avantageusement, le dispositif comporte un mécanisme d'actionnement adapté pour agir sur la membrane au niveau de chaque chambre microfluidique afin de commuter l'état de la chambre microfluidique sélectionnée.Advantageously, the device comprises an actuating mechanism adapted to act on the membrane at each microfluidic chamber in order to switch the state of the selected microfluidic chamber.
Ceci permet de réaliser un protocole d'analyse précis et automatique avec un mode opératoire simple.This allows for a precise and automatic analysis protocol with a simple operating mode.
Avantageusement, le mécanisme d'actionnement est sélectionné parmi les mécanismes suivants : pneumatique, mécanique, électrostatique, piézoélectrique, et magnétique.Advantageously, the actuating mechanism is selected from the following mechanisms: pneumatic, mechanical, electrostatic, piezoelectric, and magnetic.
Ainsi, il existe un grand choix de mécanismes pour actionner le changement d'état des différentes chambres microfluidiques.Thus, there is a large choice of mechanisms for actuating the change of state of the different microfluidic chambers.
Avantageusement, le mécanisme d'actionnement est un mécanisme pneumatique adapté pour déformer la membrane en exerçant une pression via des trous d'actionnement formés dans le deuxième substrat et débouchant aux niveaux des chambres microfluidiques, le changement d'état d'une chambre microfluidique quelconque étant réalisée par une modification de la valeur de pression exercée sur la membrane via le trou d'actionnement correspondant à ladite chambre microfluidique.Advantageously, the actuating mechanism is a pneumatic mechanism adapted to deform the membrane by exerting pressure via actuating holes formed in the second substrate and opening at the levels of the microfluidic chambers, the change of state of any microfluidic chamber being effected by a modification of the pressure value exerted on the membrane via the actuating hole corresponding to said microfluidic chamber.
Ceci permet de piloter l'actionnement des différentes chambres microfluidiques de manière simple, précise, robuste, peu encombrante et sans recourir à des pièces mécaniques traversant le substrat.This makes it possible to control the actuation of the various microfluidic chambers in a simple, precise, robust, space-saving manner and without resorting to mechanical parts passing through the substrate.
Selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention, ladite au moins une suite de cavités et ladite au moins une suite de canaux microfluidiques de communication sont formées sur la première surface microfluidique, une chambre microfluidique étant dans un état ouvert lorsque la membrane déformable est plaquée sur la deuxième surface microfluidique de sorte que la membrane et la cavité correspondante délimitent un réservoir de volume prédéterminé égal à celui de la cavité autorisant ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt dans ledit réservoir, et une chambre microfluidique étant dans un état fermé lorsque la membrane est plaquée sur la première surface microfluidique tout en épousant la forme de la cavité correspondante de sorte que le volume entre la membrane et la cavité est quasiment nul bloquant ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt au travers de ladite chambre.According to a first preferred embodiment of the present invention, said at least one series of cavities and said at least one series of microfluidic communication channels are formed on the first microfluidic surface, a microfluidic chamber being in an open state when the deformable membrane is tackled on the second microfluidic surface so that the membrane and the corresponding cavity delimit a reservoir of predetermined volume equal to that of the cavity thus allowing the flow of the fluid of interest into said reservoir, and a microfluidic chamber being in a closed state when the membrane is plated on the first microfluidic surface while conforming to the shape of the corresponding cavity so that the volume between the membrane and the cavity is virtually zero thus blocking the flow of the fluid of interest through said chamber.
Selon ce premier mode de réalisation, les cavités et les canaux de communication sont avantageusement usinés sur le même substrat et la déformation de la membrane permet de créer des chambres microfluidiques tout en pompant le fluide d'intérêt de chambre en chambre.According to this first embodiment, the cavities and the communication channels are advantageously machined on the same substrate and the deformation of the membrane makes it possible to create microfluidic chambers while pumping the fluid of interest from chamber to chamber.
Selon un deuxième mode de réalisation préféré de la présente invention, ladite au moins une suite de cavités est formée sur la deuxième surface microfluidique et ladite au moins une suite de canaux microfluidiques de communication est formée sur la première surface microfluidique, une chambre microfluidique étant dans un état ouvert lorsque la membrane est plaquée sur la deuxième surface microfluidique tout en épousant la forme de la cavité correspondante de sorte que la membrane et la première surface microfluidique délimitent un réservoir de volume prédéterminé égal à celui de la cavité autorisant ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt dans ledit réservoir, et une chambre microfluidique étant dans un état fermé lorsque la membrane est plaquée sur la première surface microfluidique de sorte que le volume entre la membrane et la première surface est quasiment nul empêchant ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt au travers de ladite chambre.According to a second preferred embodiment of the present invention, said at least one series of cavities is formed on the second microfluidic surface and said at least one sequence of microfluidic communication channels is formed on the first microfluidic surface, a microfluidic chamber being an open state when the membrane is plated on the second microfluidic surface while conforming to the shape of the corresponding cavity so that the membrane and the first microfluidic surface delimit a reservoir of predetermined volume equal to that of the cavity thus allowing the flow of the fluid of interest in said reservoir, and a microfluidic chamber being in a closed state when the membrane is plated on the first microfluidic surface so that the volume between the membrane and the first surface is virtually zero thereby preventing the flow of fluid from interest through said chamber.
Selon ce deuxième mode de réalisation, les cavités et les canaux de communication sont usinés sur différents substrats.According to this second embodiment, the cavities and the communication channels are machined on different substrates.
Avantageusement, le premier substrat et/ou le deuxième substrat sont réalisés dans un matériau transparent.Advantageously, the first substrate and / or the second substrate are made of a transparent material.
Ainsi, on peut utiliser une simple détection optique pour mesurer le résultat d'une analyse chimique ou biologique mise en oeuvre par le dispositif.Thus, it is possible to use a simple optical detection to measure the result of a chemical or biological analysis carried out by the device.
Avantageusement, les cavités ont une forme de calotte sphérique dont la base a un diamètre entre environ 1 mm et 1 cm et dont la hauteur est entre environ 100 µm et 1 mm.Advantageously, the cavities have a spherical cap shape whose base has a diameter between about 1 mm and 1 cm and whose height is between about 100 microns and 1 mm.
Ainsi, lors d'une analyse chimique ou biologique, on peut avantageusement viser des volumes réactionnels de quelques microlitres (100nl à 100 µl).Thus, during a chemical or biological analysis, it is advantageous to target reaction volumes of a few microliters (100nl to 100 .mu.l).
Avantageusement, chaque canal de ladite au moins une suite de canaux microfluidiques de communication a une longueur entre environ 1 mm et 5 mm et une section entre environ 50 µm et 500 µm de côté.Advantageously, each channel of said at least one suite of microfluidic communication channels has a length between about 1 mm and 5 mm and a section between about 50 microns and 500 microns side.
Ainsi, le volume de chaque canal microfluidique est au plus dix fois plus petit que celui d'une chambre microfluidique.Thus, the volume of each microfluidic channel is at most ten times smaller than that of a microfluidic chamber.
Avantageusement, chacun desdits premier et deuxième substrats présente une épaisseur entre environ 200 µm et 4 mm et une surface de l'ordre de plusieurs centimètres carrés.Advantageously, each of said first and second substrates has a thickness between about 200 microns and 4 mm and a surface of the order of several square centimeters.
Avantageusement, le matériau du premier substrat et/ou du deuxième substrat est sélectionné parmi les matériaux suivants : polymère polycarbonate, PMMA, COC, silicium, et papier.Advantageously, the material of the first substrate and / or the second substrate is selected from the following materials: polycarbonate polymer, PMMA, COC, silicon, and paper.
Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, le réseau microfluidique comporte un ensemble de branches microfluidiques connectées à un même orifice d'entrée et comprenant chacune une suite de canaux microfluidiques de communication reliant de manière séquentielle une suite correspondante de chambres microfluidiques.According to a preferred embodiment of the present invention, the microfluidic network comprises a set of microfluidic branches connected to the same input port and each comprising a series of microfluidic communication channels connecting sequentially a corresponding sequence of microfluidic chambers.
Ceci permet d'effectuer plusieurs analyses en parallèle.This makes it possible to perform several analyzes in parallel.
Avantageusement, les branches sont disposées en peigne ou en étoile à partir dudit orifice d'entrée.Advantageously, the branches are arranged in comb or star from said inlet port.
En plaçant différents réactifs dans les différentes branches, il est ainsi possible de réaliser plusieurs analyses sur un même échantillon placé dans l'orifice d'entrée.By placing different reagents in the different branches, it is thus possible to carry out several analyzes on the same sample placed in the inlet orifice.
L'invention vise également un procédé d'analyse mis en oeuvre au moyen d'un dispositif microfluidique selon l'une quelconque des caractéristiques précédentes, toutes les chambres microfluidiques étant initialement à l'état fermé et au moins une des chambres microfluidiques contenant un réactif embarqué, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
- injection d'un liquide correspondant au fluide d'intérêt dans le dispositif microfluidique, et
- commutation de l'état des chambres microfluidiques (entre état fermé et état ouvert) selon une séquence d'opérations prédéterminée adaptée pour contrôler le passage du liquide entre les différentes chambres.
- injecting a liquid corresponding to the fluid of interest into the microfluidic device, and
- switching the state of the microfluidic chambers (between closed state and open state) according to a predetermined sequence of operations adapted to control the passage of the liquid between the different chambers.
Ainsi, de chambre en chambre, le liquide se mélange aux réactifs réalisant par exemple un protocole d'analyse biologique à plusieurs étapes.Thus, from chamber to chamber, the liquid is mixed with the reagents making, for example, a multi-step biological analysis protocol.
Avantageusement, le procédé comporte des étapes de brassage en faisant basculer le liquide entre deux chambres microfluidiques un nombre déterminé de fois.Advantageously, the process comprises stirring steps by flipping the liquid between two microfluidic chambers a specified number of times.
Ceci permet d'accélérer le mélange entre le liquide réactionnel et le ou les réactif(s).This makes it possible to accelerate the mixing between the reaction liquid and the reagent (s).
Avantageusement, le procédé comporte une étape de mesure optique (de fluorescence ou colorimétrique) du liquide (réactionnel) dans au moins une (dernière) chambre de détection.Advantageously, the method comprises a step of optical measurement (fluorescence or colorimetric) of the liquid (reaction) in at least one (last) detection chamber.
Ainsi, on peut facilement analyser (ou lire) le résultat du protocole d'analyse.Thus, one can easily analyze (or read) the result of the analysis protocol.
On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
- La
Fig. 1 illustre de manière très schématique un dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'un fluide d'intérêt, selon l'invention ; - La
Fig. 2 illustre de manière très schématique un dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'un fluide d'intérêt, selon un mode de réalisation de l'invention ; - La
Fig. 3 illustre de manière très schématique un dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'un fluide d'intérêt, selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention ; - Les
Figs. 4A et 4B illustrent de manière schématique un assemblage du dispositif microfluidique par un plaquage mécanique ; - Les
Figs. 5A et 5B illustrent de manière schématique les états d'une chambre microfluidique selon le mode de réalisation de laFig. 3 ; - La
Fig. 6A illustre de manière schématique un procédé d'analyse mis en oeuvre au moyen d'un dispositif microfluidique selon l'invention ; - La
Fig. 6B illustre une première chambre microfluidique dans un état fermé et une deuxième chambre microfluidique dans un état ouvert selon le procédé de laFig. 6A ; - La
Fig. 7 illustre de manière très schématique un dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'un fluide d'intérêt, selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention ; - Les
Figs. 8A et 8B illustrent de manière schématique les états d'une chambre microfluidique selon le mode de réalisation de laFig. 7 ; et - Les
Figs. 9A à 9C illustrent de manière très schématique différentes configurations d'un dispositif microfluidique, selon d'autres modes de réalisation de l'invention.
- The
Fig. 1 illustrates very schematically a microfluidic device for controlling the flow of a fluid of interest, according to the invention; - The
Fig. 2 very schematically illustrates a microfluidic device for controlling the flow of a fluid of interest, according to one embodiment of the invention; - The
Fig. 3 illustrates very schematically a microfluidic device for controlling the flow of a fluid of interest, according to a first preferred embodiment of the invention; - The
Figs. 4A and 4B schematically illustrate an assembly of the microfluidic device by mechanical plating; - The
Figs. 5A and 5B schematically illustrate the states of a room microfluidic according to the embodiment of theFig. 3 ; - The
Fig. 6A schematically illustrates a method of analysis implemented by means of a microfluidic device according to the invention; - The
Fig. 6B illustrates a first microfluidic chamber in a closed state and a second microfluidic chamber in an open state according to the method ofFig. 6A ; - The
Fig. 7 very schematically illustrates a microfluidic device for controlling the flow of a fluid of interest, according to a second preferred embodiment of the invention; - The
Figs. 8A and 8B schematically illustrate the states of a microfluidic chamber according to the embodiment of theFig. 7 ; and - The
Figs. 9A to 9C illustrate very schematically different configurations of a microfluidic device, according to other embodiments of the invention.
Le concept à la base de l'invention consiste à contrôler l'écoulement d'un fluide à travers une succession de réservoirs sans utiliser des vannes et sans recourir à des forces capillaires.The concept underlying the invention consists in controlling the flow of a fluid through a series of tanks without using valves and without resorting to capillary forces.
La
Le dispositif microfluidique 1 comporte un réseau microfluidique 3 comprenant au moins une suite de chambres microfluidiques 5 reliées entre elles de manière séquentielle. Les chambres microfluidiques 5 sont aptes à être déformées de manière rétractée ou déployée. Plus particulièrement, chaque chambre microfluidique 5 est commutable entre un premier état fermé empêchant ou bloquant l'écoulement du fluide d'intérêt à travers la chambre 5 et un second état ouvert allouant à la chambre à l'état ouvert un volume prédéterminé tout en pompant (aspirant) le fluide d'intérêt dans cette chambre. L'état ouvert autorise ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt tout en calibrant le volume de la chambre. Plus particulièrement, le volume de chaque chambre 5 est modulable ou gonflable entre un volume quasi nul et un volume calibré ou prédéterminé non nul. Lorsque la chambre 5 est dans un état fermé, son volume est nul et par conséquent, l'avancée du fluide est bloquée. En revanche, lorsque la chambre est dans un état ouvert, son volume est calibré et le fluide peut s'écouler pour remplir la chambre. L'action de commutation de l'état d'une chambre d'un état fermé à un état ouvert permet de pomper le fluide dans cette chambre. Ainsi, l'actionnement successif des chambres microfluidiques 5 entre un état fermé et un état ouvert permet de déplacer un volume réactionnel de chambre en chambre sans utiliser des vannes auxiliaires et sans recourir à des pompes ou forces capillaires. On notera que les volumes des différentes chambres 5 à l'état ouvert sont identiques. Avantageusement, le volume d'une chambre 5 à l'état ouvert est de l'ordre de quelques centaines de nanolitres à quelques centaines de microlitres.The
Le dispositif microfluidique 1 comporte également un réservoir ou orifice d'entrée 7 adapté pour recevoir un échantillon d'un fluide d'intérêt. L'orifice d'entrée 7 est relié à une entrée du réseau microfluidique et plus particulièrement à une première chambre de la suite de chambres microfluidiques 5. Une seule suite de chambre est représentée sur la
Le dispositif microfluidique 1 peut être utilisé pour effectuer une analyse chimique ou biologique sur un échantillon d'un fluide d'intérêt consistant par exemple d'un fluide biologique. En effet, des réactifs peuvent être embarqués sous forme séchée dans au moins une des chambres microfluidiques 5. Ainsi, et de chambre en chambre, le fluide d'intérêt placé dans l'orifice d'entrée 7 se mélange aux réactifs dans le but de réaliser un protocole d'analyse à plusieurs étapes.The
La
Le dispositif microfluidique 1 comporte deux substrats 11, 13 et une membrane déformable 15 disposée entre les deux substrats.The
Le premier substrat 11 comprend une première surface microfluidique 111 et le deuxième substrat 13 comprend une deuxième surface microfluidique 131. Les première et deuxième surfaces 111, 131 sont parallèles entre elles et séparées l'une de l'autre par la membrane déformable 15. Les première et deuxième surfaces 111, 131 peuvent être de forme rectangulaire ou circulaire ou de toute autre forme.The
Dans toute la description qui va suivre, par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (X,Y,Z) présenté sur la
Chacun des premier 11 et deuxième 13 substrats présente une épaisseur dans la direction Z entre environ 200 µm et 4 mm et une surface (i.e., aire de la première ou de la deuxième surface microfluidique dans un plan (X,Y)) de l'ordre de plusieurs centimètres carrés, typiquement une surface équivalente à une lame de microscope ou une carte de crédit. La membrane déformable présente une épaisseur (dans la direction Z) de l'ordre d'une centaine de microns (10µm à 1mm) par exemple 300µm.Each of the first 11 and second 13 substrates has a thickness in the Z direction between about 200 μm and 4 mm and a surface (ie, area of the first or second microfluidic surface in a (X, Y) plane) of order of several square centimeters, typically a surface equivalent to a microscope slide or a credit card. The deformable membrane has a thickness (in the Z direction) of the order of one hundred microns (10 μm to 1 mm), for example 300 μm.
Le matériau du premier substrat 11 et/ou du deuxième substrat 13 est sélectionné parmi les matériaux suivants : polymère polycarbonate, PMMA, COC, silicium, et papier. La membrane 15 est formée d'un matériau très déformable comme par exemple en élastomère de la famille des silicones (exemple PDMS polydiméthylsiloxane, Ecoflex®).The material of the
Au moins une suite de cavités 51 est formée sur l'une ou l'autre des première et deuxième surfaces microfluidiques 111, 131. A titre d'exemple, la
Avantageusement, les cavités 51 ont une forme de calotte sphérique dont la base a un diamètre dans un plan (X,Y) entre environ 1 mm et 1 cm et dont la hauteur dans la direction Z est entre environ 100 µm et 1 mm.Advantageously, the
La suite de cavités 51 délimite avec la membrane déformable 15 la suite de chambres microfluidiques 5. La membrane déformable 15 est apte à être déformée au niveau de chaque chambre microfluidique 5 pour être plaquée contre une partie de la première surface microfluidique 111 ou contre une partie de la deuxième surface microfluidique 131 permettant ainsi de commuter l'état de chaque chambre microfluidique 5 entre les premier et second états. La membrane est adaptée pour ouvrir ou bloquer le passage du fluide ainsi que pour pomper le fluide depuis un réservoir ou une chambre vers au moins une autre chambre.The succession of
En effet, le dispositif microfluidique 1 comporte un mécanisme d'actionnement 21 adapté pour agir sur la membrane 15 au niveau de chaque chambre microfluidique 5 afin de commuter l'état de la chambre microfluidique sélectionnée. Le mécanisme d'actionnement 21 peut être de type pneumatique ou mécanique.Indeed, the
En outre, au moins une suite de canaux microfluidiques de communication 25 est formée sur l'une ou l'autre des première et deuxième surfaces microfluidiques 111, 131. Chaque suite de canaux microfluidiques de communication 25 relie de manière séquentielle la suite de chambres microfluidiques 5 (ici, une seule suite de canaux microfluidiques de communication 25 formée sur la première surface 111 et une seule suite de chambres microfluidiques 5 sont illustrées). Plus particulièrement, les différents canaux de la suite de canaux microfluidiques de communication 25 connectent en série les différentes chambres microfluidiques 5, chaque canal de communication 25 présentant une longueur entre environ 1 mm et 5 mm et une section entre environ 50 µm et 500 µm de côté. La suite de canaux microfluidiques de communication 25 présente un volume plus petit que celui de la suite de cavités 51.In addition, at least one suite of
Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le volume d'un canal microfluidique de communication 25 est au plus dix fois plus petit que le volume d'une chambre microfluidique 5. Soit V1 le volume d'une chambre 5 et V2 le volume d'un canal microfluidique de communication 25. L'actionnement de deux chambres consécutives génère un déplacement de liquide de V1-V2, car le volume V2 reste perdu dans le canal 25. Pour N déplacements on perd un volume fluidique de N x V2. Ainsi, si le système est initialement rempli d'air (plus précisément, les canaux microfluidiques 25 sont remplis d'air et toutes les chambres microfluidiques 5 en position fermée/bloquée), alors, après un déplacement fluidique de la première à la deuxième chambre, l'expérience montre l'apparition d'une bulle d'un volume environ équivalent au volume V2. Après N déplacements, le volume de la bulle d'air est N fois plus grand. De même, si le système est initialement rempli d'un liquide tampon par exemple de l'eau, (plus précisément les canaux 25 sont sous l'eau et toutes les chambres microfluidiques 5 en position fermée), alors après un déplacement, l'expérience montre que la solution transportée est légèrement diluée. Ainsi, à chaque nouveau déplacement on observera une nouvelle légère dilution.According to a preferred embodiment of the invention, the volume of a
Il est donc avantageux de réduire au maximum le ratio V2/V1 afin de minimiser l'apparition de bulles d'air (ou du moins en réduire leur volume) ou pour éviter de diluer les réactifs/échantillons transportés de chambre en chambre. Ceci est d'autant plus avantageux que le nombre de chambres nécessaire au protocole d'analyse est grand.It is therefore advantageous to minimize the V2 / V1 ratio in order to minimize the appearance of air bubbles (or at least reduce their volume) or to avoid diluting the reagents / samples transported from room to room. This is all the more advantageous as the number of chambers required for the analysis protocol is large.
A titre d'exemple, chaque cavité 51 présente une base de 3mm et une hauteur de 300µm définissant un volume de chambre à l'état ouvert de 1.1 µl, alors que chaque canal microfluidique de communication 25 mesure 3mm*100µm*300µm, ce qui représente un volume de 0.1µl. Ainsi, lors d'une analyse chimique ou biologique, on peut avantageusement viser des volumes réactionnels de quelques microlitres.By way of example, each
En outre, le dispositif microfluidique 1 comporte un réservoir ou orifice d'entrée 7 formé dans le premier substrat 11 et relié à une entrée 251 de la suite de canaux microfluidiques de communication 25 (i.e. au premier canal de la suite de canaux). Eventuellement, le dispositif microfluidique 1 comporte un orifice ou réservoir de sortie (non représenté) formé dans le premier substrat 11 ou le deuxième substrat 13 et relié à une sortie 253 de la suite de canaux microfluidiques de communication 25 (i.e. au dernier canal de la suite de canaux).Further, the
Par ailleurs, des trous (ou canaux) d'actionnement 27 (voir
Le réseau fluidique 2, c'est-à-dire les orifices d'entrée 7 et éventuellement de sortie, les cavités 51, les canaux microfluidiques de communication 25 reliant les cavités 51, et les trous 27 ou ouvertures pour l'actionnement pneumatique ou mécanique sont usinés selon des procédés connus par les industries de la plasturgie telles que l'usinage mécanique avec une machine à commande numérique, par impression 3D, ou de préférence par injection. Le premier substrat 11, la membrane 15 et le deuxième substrat 13 sont assemblés de manière à assurer un contact étanche entre la membrane 15 et les première et deuxième surfaces 111, 131 des premier et deuxième substrats tout en aménageant un espace d'écoulement au niveau des cavités 51 et des canaux microfluidiques de communication 25. L'assemblage peut être réalisé par collage, par plasma, ou par un plaquage mécanique.The fluidic network 2, that is to say the
On notera qu'un réactif est avantageusement déposé dans au moins une des chambres microfluidiques 5 soit sur la membrane 15 ou soit sur les parois de la cavité 51 avant l'assemblage du dispositif microfluidique 1. Ainsi, au moins une des chambres microfluidiques 5 contient un réactif embarqué sous forme séché ou lyophilisé et adapté pour réagir avec le fluide d'intérêt.Note that a reagent is advantageously deposited in at least one of the
La
Selon ce premier mode de réalisation, la ou les suite(s) de cavités 51 (en forme de calotte sphérique) et la ou les suite(s) de canaux microfluidiques de communication 25 sont formés sur la première surface microfluidique 111 du premier substrat 11. Plus particulièrement, chaque suite de canaux microfluidiques de communication 25 relie de manière séquentielle la suite de cavités 51, chaque canal 25 reliant deux cavités 51 consécutives. Par ailleurs, l'orifice d'entrée 7 est formé dans le premier substrat 11.According to this first embodiment, the cavity continuation (s) 51 (in the form of a spherical cap) and the continuation (s) of
Des trous d'actionnement 27 sont formés dans le deuxième substrat 13 débouchant après assemblage du dispositif 1 en regard des cavités 51. En outre, la membrane déformable 15 est disposée entre le premier substrat 11 (correspondant ici selon l'orientation Z à une plaque supérieure) et le deuxième substrat 13 (correspondant à une plaque inférieure). Ainsi, la suite de chambres microfluidiques 5 est formée par la membrane déformable 15 et la suite de cavités 51. Autrement dit, chaque chambre microfluidique 5 est délimitée par une cavité 51 correspondante et une partie correspondante de la membrane 15 de sorte que l'état (ouvert ou fermé) de la chambre 5 est défini par l'actionnement de cette partie correspondante de la membrane 15.Actuating holes 27 are formed in the
A titre d'exemple, les deux substrats 11 et 13 peuvent être assemblés avec la membrane déformable 15 par collage dont l'enduction peut être effectuée par sérigraphie afin de ne pas coller localement la membrane au niveau des cavités 51 ou canaux microfluidiques de communication 25 sur les premier 11 ou deuxième substrats 13.By way of example, the two
Un assemblage sans colle peut aussi être envisagé en exposant les première et deuxième surfaces microfluidiques 111, 131 à un plasma d'oxygène avant assemblage. Dans ce cas, on peut aussi réaliser un traitement localisé pour ne pas coller la membrane déformable 15 au niveau des cavités 51 ou canaux microfluidiques de communication 25.An adhesive-free assembly can also be envisaged by exposing the first and second
Selon encore un autre exemple, on peut tout simplement assembler les trois éléments (i.e. le premier substrat 11, la membrane 15, et le deuxième substrat 13) par un plaquage mécanique assuré par un système de bride (serre joint, vis etc...) ou tout système mécanique connu (clips, rivets etc...) permettant de maintenir un bon contact et une bonne étanchéité entre la membrane 15 et les deux substrats 11 et 13 sauf au niveau des cavités 51 et canaux microfluidiques 25.According to yet another example, one can simply assemble the three elements (ie the
En effet, les
Selon cet exemple, le premier substrat 11 (correspondant à une plaque supérieure) comporte les canaux microfluidiques de communication et les empreintes des cavités 51 en forme de calotte sphérique. Des réactifs 31 ont été dispensés et séchés sur les parois des cavités 51.According to this example, the first substrate 11 (corresponding to an upper plate) comprises the microfluidic communication channels and
Le deuxième substrat 13 (correspondant à une plaque inférieure) comporte des trous d'actionnement 27 et des ergots 135. Le nombre d'ergots dépend de la surface du dispositif microfluidique 1. L'assemblage s'effectue tout simplement en mettant en contact le premier substrat 11 et la membrane déformable 15 sur le deuxième substrat 13 et le maintien est obtenu par les ergots 135. La face inférieure de la membrane déformable 15 est en contact avec la deuxième surface 131 du deuxième substrat 13 (capot inférieur) et la face supérieure de membrane déformable 15 est en contact avec la première surface 111 du premier substrat 111 (capot supérieur). A titre d'exemple, pour un dispositif microfluidique 1 ayant la taille d'une lame de microscope, on placera une dizaine d'ergots répartis autour du dispositif afin de bien répartir la force de plaquage.The second substrate 13 (corresponding to a lower plate) has actuating holes 27 and lugs 135. The number of lugs depends on the surface of the
Les
Plus particulièrement, la
La
Selon ce premier mode de réalisation, le dispositif microfluidique 1 comporte un mécanisme d'actionnement pneumatique 21 adapté pour agir sur la membrane déformable 15 au niveau de chaque chambre microfluidique 5 afin de commuter l'état de la chambre microfluidique sélectionnée.According to this first embodiment, the
En effet, le mécanisme d'actionnement pneumatique 21 est adapté pourdéformer au moins une partie de la membrane 15 en exerçant une pression ou une impulsion de pression au moyen d'un fluide de pression, et en particulier d'un gaz de pression via les trous d'actionnement 27 formés dans le deuxième substrat 13 et débouchant aux niveaux des chambres microfluidiques 5. Ainsi, le changement d'état d'une chambre microfluidique 5 quelconque est réalisé par une modification de la valeur de pression exercée localement sur la membrane 15 (ici sous la membrane) via le trou d'actionnement 27 correspondant à la chambre microfluidique 5.Indeed, the
Le mécanisme d'actionnement pneumatique 21 comporte un automate 211 permettant de programmer la pression dans chaque trou d'actionnement 27. Une pression positive permet de soulever (ou rétracter) la membrane déformable 15 au niveau local fermant ainsi la chambre microfluidique 5 alors qu'une pression négative assure le plaquage de la membrane déformable 15 au niveau local sur la deuxième surface microfluidique 131 de la plaque inférieure 13 et donc l'ouverture de la chambre microfluidique 5. En variante, le retour à l'état ouvert de la chambre microfluidique 5 peut être simplement assuré par la raideur de la membrane 15 si celle-ci est suffisamment rigide, et l'état ouvert peut donc être obtenu avec une pression nulle (i.e. une mise à la pression atmosphérique).The
En variante, le mécanisme d'actionnement 21 peut être un mécanisme mécanique adapté pour déformer la membrane déformable 15 en actionnant des pistons (non illustrés) via les trous d'actionnement 27 formés dans le deuxième substrat 131.Alternatively, the
La
Par la suite, on désignera une chambre microfluidique 5 quelconque « R » de rang « i » dans un état fermé par « Ri=0 » et dans un état ouvert par « Ri=1 ».Thereafter, any
Initialement, toutes les chambres microfluidiques 5 sont à l'état fermé (Ri=0 pour tout i) et au moins une des chambres microfluidiques 5 contient un réactif 31 embarqué.Initially, all the
A l'étape E0, un échantillon d'un liquide réactionnel 33 (correspondant au fluide d'intérêt) est injecté dans l'orifice d'entrée 7 du dispositif microfluidique 1. Le liquide réactionnel 33 est par exemple un liquide biologique (sang, salive, urine, etc.) ou un liquide chimique qui doit être analysé selon un protocole à multi étapes.In step E0, a sample of a reaction liquid 33 (corresponding to the fluid of interest) is injected into the
Aux étapes E1-E2, l'état des chambres microfluidiques 5 est commuté de l'état fermé à l'état ouvert selon une séquence d'opérations prédéterminée adaptée pour contrôler le passage du liquide réactionnel 33 entre les différentes chambres microfluidiques 5.In steps E1-E2, the state of the
Plus particulièrement, à l'étape E1, la membrane déformable 15 est actionnée au niveau de la première chambre R1 qui passe alors de l'état fermé vers l'état ouvert (R1=0→ R1=1) permettant l'aspiration d'un volume d'échantillon calibré dans la première chambre. Cette chambre contient les réactifs 31 embarqués qui sont dissous en contact du liquide 33. Cette première étape permet d'effectuer la première opération du protocole biologique ou chimique en mélangeant l'échantillon 33 avec le premier réactif 31.More particularly, in step E1, the
A l'étape suivante E2, l'actionnement de la membrane déformable 15 au niveau de la deuxième chambre R2 permet d'ouvrir cette chambre et de pomper le volume réactionnel dans la deuxième chambre (R2=0 → R2=1). Simultanément, ou avec un retard (de l'ordre de quelques secondes), la première chambre se rétracte (R1=0 → R1=1). De même, le liquide dissout les réactifs embarqués dans la deuxième chambre R2 afin d'effectuer la deuxième opération du protocole d'analyse.In the next step E2, actuation of the
En particulier, la
Ainsi, et de proche en proche, pour chaque opération sur une chambre Ri : on a l'ouverture de la chambre (Ri=0→ Ri=1) alors que les autres chambres (i.e. pour tout j supérieur à i et pour tout j inférieur à i) restent fermées.Thus, and step by step, for each operation on a chamber Ri: one has the opening of the room (Ri = 0 → Ri = 1) while the other rooms (ie for all j greater than i and for all j less than i) remain closed.
La succession des états du procédé de la
Selon un autre exemple, le protocole à quatre opérations peut être défini, pour chaque opération (ou étape Ei) par l'ouverture de la chambre de rang « i » (Ri=0→ Ri=1) alors que les chambres restent fermées pour tout j supérieur à i et ouvertes pour tout j inférieur à i selon les étapes du tableau T2 de la manière suivante :
D'autres variantes sont possibles en rajoutant par exemple une chambre tampon « RT » pour initier le protocole et favoriser le remplissage de la première chambre microfluidique R1 et isoler le réservoir du liquide réactionnel 33 situé en amont dans l'orifice d'entrée 7 selon la table T3 de la manière suivante :
L'exemple du tableau T3 permet de définir un volume de fluide discret ayant un volume parfaitement déterminé par le volume de la chambre R1. Ce volume d'échantillons est transporté de proche en proche sur les réservoirs R2 à R4 par les changements d'états de différentes chambres.The example of Table T3 makes it possible to define a discrete volume of fluid having a volume perfectly determined by the volume of chamber R1. This volume of samples is transported step by step on the tanks R2 to R4 by the changes of states of different chambers.
Par ailleurs, comme indiqué sur le tableau T4, il est possible aussi de générer (étape E24) puis déplacer (étape E25) un doublon avec deux réservoirs consécutifs placés à l'état 1. On peut aussi « couper en deux le doublon » (étape E26) puis le réassembler (étape E27), etc.Moreover, as indicated in the table T4, it is also possible to generate (step E24) then move (step E25) a duplicate with two consecutive tanks placed in
Ainsi, sur un même dispositif on peut réaliser une grande variété de protocoles comprenant des étapes de formation de volume, transport, mélange, division, etc. en changeant simplement la programmation de la succession des états de chaque réservoir.
Avantageusement, le procédé comporte des étapes de brassage en faisant basculer le liquide 33 entre deux chambres microfluidiques 5 un nombre déterminé de fois. En effet, pour assister et accélérer le mélange entre l'échantillon 33 et les réactifs 31 dans une chambre 5 de rang « i », on peut réaliser des étapes de brassage en faisant circuler le liquide entre la chambre de rang « i » et celle de rang « i-1 ». Le tableau T5 ci-dessous explique le mélange de réactif entre les chambres R2 et R3 en faisant basculer le liquide entre ces deux chambres microfluidiques 5 pendant sept opérations. Avantageusement, une dizaine de basculements permet de bien homogénéiser le mélange réactionnel par brassage.
Finalement, le procédé d'analyse comporte une dernière étape E4 (
Avantageusement, le premier substrat 11 et/ou le deuxième substrat 13 et/ou la membrane 15 sont réalisés dans un matériau transparent permettant ainsi de voir le contenu des chambres microfluidiques 5 et de faciliter la mesure optique du résultat.Advantageously, the
On notera que d'autres moyens de détection connus par l'homme du métier comme par exemple une détection électrique (conductimétrie, mesure électrochimique, etc.) sont aussi envisageables.It will be noted that other detection means known to those skilled in the art, such as, for example, electrical detection (conductimetry, electrochemical measurement, etc.) are also possible.
La
Selon ce deuxième mode de réalisation, chaque suite de cavités 51 (en forme de calotte sphérique) est formée sur la deuxième surface microfluidique 131 du deuxième substrat 13. En outre, chaque suite de canaux microfluidiques de communication 25 est formée sur la première surface microfluidique 111 du premier substrat 11. La continuité entre les différents canaux d'une suite de canaux microfluidiques 25 formée sur le premier substrat 11 est assurée par les cavités 51 de la suite de cavité correspondante formée sur le deuxième substrat 13. Autrement dit, les cavités 51 formées sur la deuxième surface microfluidique 131 présentent des positions et diamètres complémentaires aux positions et longueurs des canaux 25 formés sur la première surface microfluidique 111.According to this second embodiment, each series of cavities 51 (spherical cap-shaped) is formed on the second
Par ailleurs, l'orifice d'entrée 7 est formé dans le premier substrat 11 et les trous d'actionnement 27 sont formés dans le deuxième substrat 13. On notera qu'ici, les trous d'actionnement 27 débouchent dans les cavités 51 correspondantes.Furthermore, the
Comme le premier mode de réalisation, la membrane déformable 15 est disposée entre le premier substrat 11 (correspondant ici selon l'orientation Z à une plaque supérieure) et le deuxième substrat 13 (correspondant à une plaque inférieure). Ainsi, la suite de chambres microfluidiques 5 est formée par la membrane déformable 15 et la suite de cavités 51.Like the first embodiment, the
Toutefois, selon ce deuxième mode de réalisation, une chambre microfluidique 5 est dans un état ouvert lorsque la partie de la membrane 15 correspondante est déformée et elle est dans un état fermé lorsque la partie de la membrane 15 correspondante est relâchée.However, according to this second embodiment, a
En effet, les
Plus particulièrement, la
La
Les
Le réseau microfluidique 3 comporte un ensemble de branches microfluidiques 37 connectées à un même orifice d'entrée 7. Chaque branche microfluidique 37 comporte une suite de canaux microfluidiques de communication 25 reliant de manière séquentielle une suite correspondante de chambres microfluidiques 5. Ainsi, plusieurs réactions en parallèle peuvent être effectuées sur un même volume d'échantillon. En plaçant différents réactifs dans les différentes branches 37, il est ainsi possible de réaliser plusieurs analyses sur le même échantillon placé dans l'orifice d'entrée.The
La
La
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