EP1361925A2 - Appareil pour le prelevement et le depot en microreseaux de solutions - Google Patents

Appareil pour le prelevement et le depot en microreseaux de solutions

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Publication number
EP1361925A2
EP1361925A2 EP02706891A EP02706891A EP1361925A2 EP 1361925 A2 EP1361925 A2 EP 1361925A2 EP 02706891 A EP02706891 A EP 02706891A EP 02706891 A EP02706891 A EP 02706891A EP 1361925 A2 EP1361925 A2 EP 1361925A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
micropipette
deposition
deposit
head
micropipettes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02706891A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gabriel Abba
Philippe Kastner
Stanislas Du Manoir
Bernard Jost
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite Louis Pasteur Strasbourg I
Universite Paul Verlaine-Metz
Original Assignee
Universite Louis Pasteur Strasbourg I
Universite Paul Verlaine-Metz
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Louis Pasteur Strasbourg I, Universite Paul Verlaine-Metz filed Critical Universite Louis Pasteur Strasbourg I
Publication of EP1361925A2 publication Critical patent/EP1361925A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/10—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
    • G01N35/1065—Multiple transfer devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/02—Burettes; Pipettes
    • B01L3/0241—Drop counters; Drop formers
    • B01L3/0262—Drop counters; Drop formers using touch-off at substrate or container
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/10—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
    • G01N2035/1027—General features of the devices
    • G01N2035/1034—Transferring microquantities of liquid
    • G01N2035/1037—Using surface tension, e.g. pins or wires
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/10—Devices for transferring samples or any liquids to, in, or from, the analysis apparatus, e.g. suction devices, injection devices
    • G01N35/1065—Multiple transfer devices
    • G01N35/1074—Multiple transfer devices arranged in a two-dimensional array
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/25—Chemistry: analytical and immunological testing including sample preparation
    • Y10T436/2575—Volumetric liquid transfer

Definitions

  • the present invention relates to the field of controlled sampling and deposition of substances by a similar device or electromechanical system, in particular for the deposition on a surface of a large number of molecules of different chemical or biological products (DNA solutions, proteins, chemical reagents or others), and relates to a device for sampling and depositing on a surface of solutions in very small quantities, in the form of a network (s) of high density microdrops.
  • the known devices carrying out the deposition by projection do not make it possible to control the shape of the projected drop; nor precisely the quantity of substance deposited per drop.
  • such a projection can, in certain cases, lead to the bursting of the projected drop and therefore to the contamination of neighboring drops and / or of the surface extending between said deposited drops. This technique is therefore not suitable for a quantitatively controlled high density deposition.
  • the subject of the invention is an apparatus for sampling and depositing on a surface, in the form of microdrops, of solutions, in particular chemical or biological, comprising at least one micropipette or deposition point mounted on a movable head according to at least one direction, at least between one or more sampling site (s) and one or more deposit site (s), characterized in that the micropipette (s) are hollow and are mounted in the body of said head, with the ability to relative translation with respect to the latter, by means of a device for controlling and limiting the application forces of the micropipette (s) on the deposition surface, associated with a device for guiding the latter (s) with respect to to said head, during or with a view to bringing them into contact with said surface.
  • sampling and deposit sites will advantageously be arranged in a flat matrix arrangement on plates or in respective respective receptacles.
  • the movable head could, for example, be movable in two perpendicular directions, by being mounted on a fixed support structure, and the plates or receptacles receiving said sites can then be independently movable in directions parallel to each other and perpendicular in plane containing the two directions for moving the movable head or the micropipettes mounted on the latter.
  • the head may be supported by a structure which is itself movable in a direction perpendicular to the plane. containing the two directions of movement of the movable head (for example an arm or a gantry displaceable in translation), the plates or receptacles then being fixed.
  • said plates or receptacles When the head is only movable in one direction, provision may be made for said plates or receptacles to be movable in two directions perpendicular in a plane orthogonal to the direction of movement of the head or for said plates or receptacles to be movable in one direction and that the support structure of the head is also movable in another direction, the three directions of movement being perpendicular two by two.
  • the movable head will have three degrees of freedom relative to the collection site (s) and / or the storage site (s).
  • each micropipette has a body, cylindrical or not, traversed longitudinally by a channel and having a tapered end, for example of substantially conical shape, ending in a terminal, annular and planar contact surface.
  • the tapered end has, before opening on the terminal contact surface, a connection surface providing a continuous passage between the conical surface of the end tapered and the planar contact surface, advantageously generated by a portion of parabolic curve.
  • the micropipette could, for example, have a cylinder body which tapers conically at its free or deposit end.
  • each micropipette can be provided, at its free end or deposit, with a substantially annular protuberant formation, circumferentially continuous or not, surrounding the tapered end and separated from the latter by an annular recess zone formed or formed in said end of the body of the micropipette in question, said protruding annular formation ending in a plane terminal contact surface, situated in a parallel plane, and if necessary coinciding, with the plane comprising the contact surface of the tapered end .
  • These contact surfaces can be offset from one another in the longitudinal direction of the body of each micropipette and, in this case, the deposition sites are located in corresponding recesses or recesses.
  • the guide device specific to each micropipette or common to all the micropipettes, can provide only simple guidance at a single guide surface but, to obtain better precision of movement and positioning, it will advantageously ensure double guiding of the body of each micropipette, at the level of two guiding zones in translation spaced apart relative to the movable head in the body of which it is mounted (clearance of an intermediate space for sensors and / or actuator elements).
  • each control and force limitation device consists of a passive compliant device, such as an elastically flexible or compressible intermediate element, ensuring controlled transmission of the thrust forces and of the translational movement between the body of the movable head and the micropipette concerned.
  • each control and force limitation device consists of an active device in the form of an actuator secured to the movable head, acting directly on the body of the micropipette considered or on a force transmission part formed or fixed on the latter with a view to bringing it into contact with the surface and controlled by means of a regulation and control loop also incorporating a means of direct or indirect measurement or determination of the force of application of said micropipette on the deposition surface.
  • each control and force limitation device consists of a mixed device integrating an actuator controlled by a regulation and servo control loop integrating a means of direct measurement or determination or indirect and acting on the associated micropipette via a passive compliant device.
  • the determination of the application force can, for example, be carried out by an indirect measurement, by observation and / or estimation.
  • the quantity of liquid withdrawn and deposited by each micropipette is controlled by means carrying out a variation in pressure of a gas at the end of the micropipette opposite its free or deposition end.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an embodiment of the apparatus according to the invention
  • Figure 2 is a view by transparency and on a different scale of a part of a micropipette forming part of the apparatus shown in Figure 1
  • Figure 3 is a side elevational view in section of a portion of the movable head forming part of the apparatus shown in Figure 1 and in which a micropipette is mounted, in connection with a passive compliant device
  • Figure 4 is a side elevational view in section of a portion of the movable head forming part of the apparatus shown in Figure 1 and in which a micropipette is mounted, in connection with a device for controlling and limiting d 'mixed effort
  • FIG. 5 is a block diagram representing in the form of function blocks a possible structure of a regulation and force control loop which can be implemented in the device according to the invention
  • Figure 6 is a schematic representation of the fluid circuit associated with the movable head forming part of the device according to the invention
  • Figure 7 is a view, on a different scale, of the detail A of Figure 2 (the outline of the drop deposited is shown in broken lines)
  • Figure 8 is a view similar to that of Figure 2 of an alternative embodiment of the end of a micropipette forming part of the apparatus shown in Figure 1
  • Figures 9 A and 9B are representations diagrams showing the deposition of a drop on two supports presenting sites of deposit with different spacings, with a micropipette according to FIG. 8.
  • the apparatus 1 for sampling and depositing on a surface 2 in the form of microdrops 2 ′ of solutions, in particular chemical or biological comprises at least one micropipette or deposition tip 3 mounted on a head 4 movable in a direction Y or Z or two different directions Y and Z, at least between one or more sampling site (s) 5 and one or more deposit site (s) 6.
  • the head 4 is mounted mobile in two directions Y and Z on a support structure of the fixed gantry type 12 and the plates or receptacles 5 ′ and 6 ′ receiving the sites 5 and 6 respectively are movable independently in parallel directions X and XI , the assembly being installed on a fixed support plane 13.
  • micropipette (s) 3 are mounted in the body of said head 4, with the ability to translate relative to the latter, by means of a device 7 for controlling and limiting the application forces of the micropipette (s) 3 on the deposition surface 2, associated with a device 8, 8 ′ for guiding in translation this or these latter with respect to said head 4, when or with a view to bringing them into contact with said surface 2.
  • the apparatus 1 further comprises, on the one hand, an arm or a gantry 12 carrying the movable head 4 and allowing at least its displacement along an axis or the displacement of the micropipettes 3 in a plane, preferably in two orthogonal directions Y and Z and, on the other hand, a support plane 13 (of a table or of a similar piece of furniture) on which the site or sites 5 for sampling the solutions are placed, for example in the form of plates, wells or similar containers, the sites 6 for depositing microdrops in the microdrops 2 ′ of solutions withdrawn by the micropipettes 3 and a site or station 14 for emptying and washing said micropipettes 3, the arm or gantry 12 which can be moved in translation in a direction X substantially perpendicular to the plane Y, Z of movement of the movable head 4 or of the micropipettes 3 mounted on the latter.
  • the apparatus 1 consists of a programmable robot, the gantry-shaped arm 12 supporting the movable head 4 moves
  • Figure 1 defines the different possible axes of movement for the movable head 4, namely a longitudinal movement (axes X, XI) via the gantry 12 or plates 5 'and 6', a transverse movement (axis Y) by translation of the head on the support bar of said gantry 12, and a vertical movement (axis Z) for removal or deposition.
  • the movement for the purpose of deposition can result from the only movement of the mobile head 4 (passive device 7) or from the combination of a first coarse movement of the mobile head 4 and a final fine movement of each micropipette or deposition tip 3 by an actuator 10 (active or mixed device 7).
  • the deposition head 4 is advantageously made up of four sub-assemblies: the deposition points 3, a device 8, 8 ′ for precise guidance and positioning, a device 7 for controlling the contact forces and a set of capillaries and chamber pressure (not shown specifically) allowing the control of the pressure inside the deposition tips 3.
  • the deposition head 4 makes it possible to deposit drops 2 ′ of predefined shape (circular in most cases) with great regularity and very good repeatability and is provided with one or more micropipettes or tips 3.
  • the movable head 4 comprises a plurality of micropipettes 3 arranged in rows and columns according to a matrix structure of two dimensions. The number of points 3 must be compatible with the size and density of drops 2 * of the microarray to be produced.
  • the table above gives, by way of non-limiting indication, possibilities of using heads with multiple points according to the invention.
  • the deposition head 4 makes it possible to control the exact volume withdrawn from each well and to carry out an effective washing (contamination rate less than
  • the deposition points 3 used are, as shown in FIGS. 1, 3 and 4, of hollow cylindrical shape (cylindrical body 3 'traversed longitudinally by a channel 3 ").
  • the outside diameter D' of the body 3 '(without effect on the size of the drops) must allow a good grip and precise guidance of the tip, the latter being cut into a cone at one 3 ′′ from its ends.
  • FIG. 2 shows a sketch of the realization of a deposit tip 3.
  • the conical part (its specific shape and its slope do not matter) allows to reduce the diameter and to go from the outside diameter D 'to the diameter terminal D (external diameter of the terminal contact surface 3 ""), the latter being of the same order of magnitude as the diameter of the drops 2 'to be deposited (a diameter of 150 ⁇ m leads to drops of diameter of 180 ⁇ m, by example).
  • the connection surface 3 '"" part of the external surface of the micropipette wetted during the contact of the latter with the deposition surface) between the tapered part 3 "" and the terminal contact surface 3 “” can be conical or have a different shape. For example, we may want to optimize the size of the droplets according to the variations in viscosity or surface tension of the solutions, which will require a particular shape and configuration of the 3 '"tapered part and the connection surface. 3 "".
  • connection surface 3 "'” makes a continuous passage between the conical surface of the tapered end 3' "and the planar contact surface 3" ", advantageously generated by a portion of parabolic curve.
  • connection surface 3 "'" should advantageously allow the gradual passage from the terminal 3 "" plane and cylindrical surface to the conical 3 "surface. It is therefore necessary to have a tangent connection and a gradual variation in the slope.
  • the internal diameter influences two essential parameters of the deposition process, namely the contact pressure of the tip with the deposition surface and the speed of the washing process.
  • the value of the internal diameter d is preferably between 0.2 and 0.8 times the value of the terminal diameter D.
  • the guide device 8, 8 ′ allows the deposition tips 3 to slide freely along an axis perpendicular to the deposition surface 2. Those skilled in the art will note that only the final movement of arrival in contact with the sampling or deposition surface must be perpendicular, the prior movement possibly being a movement pivoting or a series of translational movements in different directions.
  • the drop 2 ' is deposited by contact between the tip 3 and the surface 2.
  • the reserve of solution for the deposit of several drops 2' is constituted by the interior volume (channel 3 ") of the tip 3 and by any additional volume (larger diameter cylinder for example) behind the tip 3.
  • the guide device 8, 8 ′ may be common to all the points 3 or specific to each.
  • the approach and contacting movement is obtained by controlling the Z axis of the gantry 12, by an actuator 10 specially dedicated to this task or by the combination of the two aforementioned actions (device 7 mixed).
  • the device 7 for controlling the contact forces between the deposition tip 3 and the surface 2 is an essential element for obtaining quality microarrays.
  • the terminal surface 3 "" of the deposition tip is flat and makes it possible to guarantee a maximum value of contact pressure (and therefore sealing) between the tip 3 and the surface 2 by controlling the interaction force tip- area.
  • This force is controlled by a passive compliant device 9 or by an active device 10 (actuator), which guarantees the quality of the deposit of the drops as well as the attachment of the molecules (of DNA for example) on the surface.
  • This device 7 as well as the shape of the tips 3 prevent liquid splashes on the surface 3, as well as the bursting of the drops 2 '.
  • Figure 3 schematically shows a passive compliant device.
  • This device 9 is constituted by a flexible element (spring blade type) or compressible element (tension-compression spring type) which exerts a force on the tip 3 or on a part 9 ′ secured to the tip, this force being regulated by an element calibration (for example screw or washer forming an adjustment shim), placed at the rear of the compliant device 9 opposite the stop 9 ′ secured to the micropipette 3 or on the same side as the latter.
  • the interaction force with the deposition surface 2 is therefore a result of the initial setting force and the displacement value along the Z axis during deposition.
  • Figure 4 shows an embodiment of the device 7 in the form of a mixed active device.
  • This device consists of an actuator 10 which exerts a force on the tip 3 or on a piece 9 'integral with the tip 3. This force is exerted either directly (not shown), or by means of a compliant device 9 (spring type) mounted between a force transmission part 10 'on which the actuator 10 and the part 9' act.
  • the force for movement and contacting is created by an actuator 10 (electric, pneumatic or hydraulic).
  • an electromagnetic actuator for example an electromagnet or a linear motor
  • an electronic control device (not shown) makes it possible to control the force exerted.
  • the force is measured either directly by a sensor 11 inserted between the compliant device 9 and the tip 3, or indirectly by an observer model and the measurement of deformation of the compliant device.
  • the force control makes it possible to control the force of interaction with the surface 2 and in particular its maximum value. This action guarantees that the surface, its coating or any other product that may have been deposited on it, or the tips 3 themselves, is not damaged.
  • the control is performed either by a purely electronic analog device, or by a digital microprocessor system or by both at the same time.
  • the instruction is drawn up as a function of the task to be carried out (microarray) and of the material or materials deposited on the deposit surface 2 or constituting the latter.
  • the compliant device 9 makes it possible to absorb the shock upon contact. In the absence of a compliant device 9, the shock is absorbed by an appropriate choice of the control setpoint.
  • FIG. 5 details the various functions relating to the assembly for regulating and controlling the contact forces.
  • the value of the contact force is obtained either by the direct measurement of this one, or indirectly by the determination using an equation of mechanical behavior and the measurement of a quantity of the same type or of different nature . It is for example possible to determine the contact force by measuring the displacement of the tip and the dynamic equation of behavior of the mobile part (the determination technique can be based on an estimator or on an observer).
  • the stage supplying the actuator is for example a power amplifier (for example a linear stage known as "push-pull", a stage known under the designation PWM, etc.).
  • the regulation and control loops are composed of the functions of measurement and / or observation / prediction, filtering, comparison, correction and generation of setpoint signals (command).
  • the functions of observation / prediction, filtering, comparison, correction and generation of setpoint signals can be performed in a known manner by a digital microprocessor device, or by an analog solution.
  • One solution may consist in separating the two functions, that is to say providing a first surface 3 "" carrying out the deposition and a second surface 17 'carrying out the limitation of the normal movement of the micropipette 3 considered.
  • FIGS. 8, 9A and 9B illustrate an embodiment of a micropipette corresponding to the solution indicated above, implemented with plates comprising sites or deposition zones 6, 19 and sites or support zones 20 .
  • Zone 19 is the surface for depositing chemical or biological products.
  • Zone 19 is therefore covered with the same adherent products (polylysine, silane, etc.) as usual in the production of microarrays.
  • Zone 20 receives no deposit of product and has the function only to stop the movement along the axis perpendicular to the deposit surface.
  • the micropipette 3 has in this case a particular shape adapted to the deposition operation. It has an additional contact or connection surface 17 ′ which comes into connection with zone 20.
  • the contact pressure between the micropipette and zone 20 is limited by the same devices 5 to 7 as those described above.
  • the terminal surface 3 "" of the micropipette 3 is designed so that it is then close to or just in contact with the deposition zone 19. It is of course necessary to provide a level difference between the surfaces 3 "" and 17 'compatible with the difference in level of the receiving surfaces 19 and 20.
  • the central part of the micropipette 3 has the same characteristics as those described in relation to FIG. 2, namely a terminal surface 3 "", a conical surface 3 "", a substantially cylindrical surface 3 'and possibly a connecting surface 3' "". It is also always crossed by a 3 "circulation channel leading to the 3" "surface.
  • the zones 19 and 20 can be located in mutually offset planes, as can the surfaces 17 'and 3 "".
  • the zone 18 forms a hollow clearly separating the surface 3 '"from the surface 17' and has the essential role of preventing the liquid wetting the surface 3" "from wetting the surface 17 '.
  • FIG. 9A shows the position of the micropipette 3 during a deposition near a previous deposition. In this case, the hollow is chosen with a depth greater than the height of the deposits previously formed.
  • FIG. 9B shows the case of a deposit with partial overlap of the previous deposit by the micropipette 3.
  • a particular device is developed to allow the cleaning of the micropipettes 3. Another device is used to remove the liquid wetting the surfaces 17 ' and 18 after a sample.
  • a capillary / associated pressure chamber assembly makes it possible to connect the deposition tip (s) to a pump (peristaltic or other) and makes it possible to circulate fluids (water, solvent, air, gas) inside the tips. It thus performs a double function: effective cleaning during washing (described below) and precise control of the quantities of liquid handled (which is particularly important when sampling solutions of biological or chemical compounds), thus allowing save the solutions.
  • FIG. 6 shows a possibility of making a fluid circuit associated with the movable head 4.
  • the pressure chamber 15 makes it possible to balance the pressures when several micropipettes or tips 3 are controlled by the same pump channel.
  • the deposit points 3 are connected to the pressure chamber 15 by flexible connection pipes 15 ′ and can optionally be connected to one another by connection tees 15 ".
  • the pressure chamber 15 can be a specific connection element or be made up of the connecting pipes themselves.
  • the role of the pressure chamber is to make the pipes connected to the tips 3 communicate with the pumps 16 or the fluid storage tanks 16 ′ (under pressure or not).
  • the control unit (computer) are opened depending on the washing or deposit processes.
  • the electro-valve EV1 controls the pressure or vacuum of the chamber and the connecting pipes via a gaseous fluid.
  • the solenoid valve EN2 controls via a liquid fluid the pressure or vacuum of the chamber and the connecting pipes. The liquid fluid is mainly used during the washing process.
  • the solenoid valve EN3 allows to connect the chamber and the connecting pipes at atmospheric pressure and thus to balance the pressures on either side of the column of solution contained in the tips
  • the subject of the invention is also a method of depositing high density networks of microdrops of solutions on a surface by means of the apparatus described above, characterized in that it consists in bringing the mobile head 4 to a sampling site 5 , to collect, by soaking the ends of the micropipettes 3 in wells or similar containers of a sampling site 5, a determined quantity of the solutions present in these containers, to transfer the mobile head 4 to a deposit site 6, deposit, in the form of a network of microdrops 2 ', a determined quantity of the solutions taken from the deposition surface 2 by pressure-controlled support of said pipettes 3 on said surface 2, possibly repeating this deposition operation one or more times by successively moving the movable head 4 towards one or more other deposition sites 6, at displacing the movable head 4 to the emptying and washing station 14 and to clean the micropipettes 3 and the other elements which have been in contact with the sampled solutions, with a view to their decontamination, and to repeat all of the above operations until exhaustion solutions to be sampled and / or
  • the washing or cleaning of the tips 3 can be broken down into several stages: - the rejection of the solutions contained in the tips,

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Abstract

La présente invention a pour objet un appareil (1) de prélèvement et de dépôt sur une surface (2) sous forme de microgouttes (2') de solutions, notamment chimiques ou biologiques, comprenant au moins une micropipette ou pointe de dépôt (3) montée sur une tête (4) mobile selon au moins une direction, au moins entre un ou plusieurs site(s) de prélèvement (5) et un ou plusieurs site(s) de dépôt (6). Appareil caractérisé en ce que la ou les micropipettes (3) sont montées dans le corps de ladite tête (4), avec faculté de translation relative par rapport à cette dernière, par l'intermédiaire d'un dispositif de contrôle et de limitation des efforts d'application de la ou des micropipettes (3) sur la surface de dépôt (2), associé à un dispositif de guidage en translation de cette ou ces dernières par rapport à ladite tête (4), lors ou en vue de leur mise en contact avec ladite surface (2).

Description

Appareil pour le prélèvement et le dépôt en microréseaux de solutions
La présente invention concerne le domaine du prélèvement et du dépôt contrôlés de substances par un appareil ou un système électromécanique similaire, notamment pour le dépôt sur une surface d'un grand nombre de molécules de produits chimiques ou biologiques différents (solutions d'ADN, de protéines, de réactifs chimiques ou autres), et a pour objet un appareil de prélèvement et de dépôt sur une surface de solutions en très faibles quantités, sous la forme de réseau(x) de microgouttes haute densité.
Il existe actuellement déjà plusieurs appareils réalisant des dépôts de substances liquides sous forme de microgouttes sur des surfaces diverses.
Ces appareils connus peuvent être répartis dans deux groupes distincts en fonction du mode de dépôt mis en œuvre, à savoir, les appareils réalisant le dépôt par contact physique entre l'organe de prélèvement et la surface de dépôt et ceux réalisant le dépôt sans contact physique, c'est-à- dire par projection.
Or, chacun des deux types d'appareils présentent des inconvénients et des limitations constituant autant d'obstacles à une utilisation fiable et durable desdits appareils. En effet, les appareils connus procédant par contact physique ne possèdent aucun moyen efficace de limitation de la pression de contact entre l'organe de prélèvement et la surface de dépôt, d'où il résulte à relativement bref délai une détérioration desdits organes et/ou de la surface de dépôt et donc une reproductibilité incertaine en termes de précision des dépôts consécutifs, du fait d'une modification de la géométrie et de la configuration desdits organes et de ladite surface, en plus d'une contamination des substances déposées par des débris ou par des substances prélevées antérieurement, du fait d'un nettoyage incomplet des organes ébréchés. Ces problèmes sont particulièrement apparents lors de la mise en œuvre d'organes à pointes fendues, n'autorisant pas du fait de leur forme même un nettoyage satisfaisant, ni une reproductibilité satisfaisante en dimension et en géométrie des gouttes déposées. Des problèmes similaires apparaissent avec les appareils dans lesquels les dépôts se font par emboutissement de pellicules par des pointes de dépôt cylindriques.
Par ailleurs, les appareils connus réalisant le dépôt par projection ne permettent pas de contrôler la forme de la goutte projetée; ni de manière précise la quantité de substance déposée par goutte. De plus, une telle projection peut, dans certains cas, aboutir à l'éclatement de la goutte projetée et donc à la contamination de gouttes voisines et/ou de la surface s'étendant entre lesdites gouttes déposées. Cette technique n'est par conséquent pas adaptée à un dépôt haute densité quantitativement contrôlée.
La présente invention a notamment pour but de pallier au moins certains des inconvénients et limitations des appareils existants précités et de proposer un appareil permettant de réaliser des microréseaux de haute densité avec une bonne reproductibilité, de manière performante et fiable. A cet effet, l'invention a pour objet un appareil de prélèvement et de dépôt sur une surface, sous forme de microgouttes, de solutions, notamment chimiques ou biologiques, comprenant au moins une micropipette ou pointe de dépôt montée sur une tête mobile selon au moins une direction, au moins entre un ou plusieurs site(s) de prélèvement et un ou plusieurs site(s) de dépôt, caractérisé en ce que la ou les micropipettes sont creuses et sont montées dans le corps de ladite tête, avec faculté de translation relative par rapport à cette dernière, par l'intermédiaire d'un dispositif de contrôle et de limitation des efforts d'application de la ou des micropipettes sur la surface de dépôt, associé à un dispositif de guidage de cette ou ces dernières par rapport à ladite tête, lors ou en vue de leur mise en contact avec ladite surface.
Les sites de prélèvement et de dépôt seront avantageusement disposés selon un arrangement matriciel plan sur des plaques ou dans des réceptacles respectifs correspondants. La tête mobile pourra, par exemple, être déplaçable selon deux directions perpendiculaires, en étant montée sur une structure support fixe, et les plaques ou réceptacles recevant lesdits sites être alors mobiles indépendamment dans des directions parallèles entre elles et perpendiculaires en plan contenant les deux directions de déplacement de la tête mobile ou des micropipettes montées sur cette dernière.
En variante, il pourra être prévu que la tête soit supportée par une structure elle-même mobile dans une direction perpendiculaire au plan contenant les deux directions de déplacement de la tête mobile (par exemple un bras ou un portique déplaçable en translation), les plaques ou réceptacles étant alors fixes.
Lorsque la tête n'est mobile que dans une direction, il pourra être prévu que lesdits plaques ou réceptacles soient mobiles dans deux directions perpendiculaires dans un plan orthogonal à la direction de déplacement de la tête ou que lesdites plaques ou réceptacles soient mobiles selon une direction et que la structure support de la tête soit également mobile selon une autre direction, les trois directions de déplacement étant perpendiculaires deux à deux.
Dans tous les cas, la tête mobile présentera trois degrés de liberté relatifs par rapport au(x) site(s) de prélèvement et/ou au(x) site(s) de dépôt.
De manière préférentielle, chaque micropipette présente un corps, cylindrique ou non, traversé longitudinalement par un canal et présentant une extrémité effilée, par exemple de forme sensiblement conique, se terminant par une surface de contact terminale, annulaire et plane.
Afin de pouvoir contrôler de manière sûre la forme et les dimensions de la goutte à déposer, l'extrémité effilée présente, avant de déboucher sur la surface de contact terminale, une surface de raccord réalisant un passage continu entre la surface conique de l'extrémité effilée et la surface de contact plane, avantageusement générée par une portion de courbe parabolique. La micropipette pourra, par exemple, présenter un corps cylindre qui se rétrécit de manière conique au niveau de son extrémité libre ou de dépôt.
En variante, chaque micropipette peut être pourvue, au niveau de son extrémité libre ou de dépôt, d'une formation protubérante sensiblement annulaire, circonférentiellement continue ou non, entourant l'extrémité effilée et séparée de cette dernière par une zone de renfoncement annulaire formée ou ménagée dans ladite extrémité du corps de la micropipette considérée, ladite formation protubérante annulaire se terminant par une surface de contact terminale plane, située dans un plan parallèle, et le cas échéant confondu, avec le plan comprenant la surface de contact de l'extrémité effilée. Ces surfaces de contact peuvent être décalées entre elles dans la direction longitudinale du corps de chaque micropipette et, dans ce cas, les sites de dépôt sont situés dans des creux ou des renfoncements correspondants. Selon l'invention, le dispositif de guidage, propre à chaque micropipette ou commun à toutes les micropipettes, peut n'assurer qu'un simple guidage au niveau d'une unique surface de guidage mais, pour obtenir une meilleure précision de mouvement et de positionnement, il assurera avantageusement un double guidage du corps de chaque micropipette, au niveau de deux zones de guidage en translation espacées par rapport à la tête mobile dans le corps de laquelle elle est montée (dégagement d'un espace intermédiaire pour des capteurs et/ou des éléments actionneurs).
Conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, chaque dispositif de contrôle et de limitation d'effort consiste en un dispositif compliant passif, tel qu'un élément intermédiaire élastiquement flexible ou compressible, assurant une transmission contrôlée des efforts de poussée et du mouvement de translation entre le corps de la tête mobile et la micropipette concernée. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, chaque dispositif de contrôle et de limitation d'effort consiste en un dispositif actif sous la forme d'un actionneur solidaire de la tête mobile, agissant directement sur le corps de la micropipette considérée ou sur une pièce de transmission des efforts formée ou fixée sur cette dernière en vue de sa mise en contact avec la surface et contrôlé au moyen d'une boucle de régulation et d'asservissement intégrant également un moyen de mesure ou de détermination directe ou indirecte de la force d'application de ladite micropipette sur la surface de dépôt.
Conformément à un troisième mode de réalisation de l'invention, chaque dispositif de contrôle et de limitation d'effort consiste en un dispositif mixte intégrant un actionneur commandé par une boucle de régulation et d'asservissement intégrant un moyen de mesure ou de détermination directe ou indirecte et agissant sur la micropipette associée par l'intermédiaire d'un dispositif compliant passif. La détermination de la force d'application peut, par exemple, être réalisée par une mesure indirecte, par observation et/ou estimation. De manière avantageuse, la quantité de liquide prélevée et déposée par chaque micropipette est contrôlée par l'intermédiaire de moyens réalisant une variation de pression d'un gaz au niveau de l'extrémité de la micropipette opposée à son extrémité libre ou de dépôt. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un mode de réalisation de l'appareil selon l'invention ; la figure 2 est une vue par transparence et à une échelle différente d'une partie d'une micropipette faisant partie de l'appareil représenté sur la figure 1 ; la figure 3 est une vue en élévation latérale et en coupe d'une partie de la tête mobile faisant partie de l'appareil représenté sur la figure 1 et dans laquelle une micropipette est montée, en relation avec un dispositif compliant passif ; la figure 4 est une vue en élévation latérale et en coupe d'une partie de la tête mobile faisant partie de l'appareil représenté sur la figure 1 et dans laquelle une micropipette est montée, en relation avec un dispositif de contrôle et de limitation d'effort mixte ; la figure 5 est un schéma synoptique représentant sous forme de blocs fonctions une structure possible d'une boucle de régulation et d'asservissement de force pouvant être mise en œuvre dans le dispositif selon l'invention ; la figure 6 est une représentation schématique du circuit fluidique associé à la tête mobile faisant partie du dispositif selon l'invention ; la figure 7 est une vue, à une échelle différente, du détail A de la figure 2 (le contour de la goutte déposée est représenté en traits interrompus) ; la figure 8 est une vue similaire à celle de la figure 2 d'une variante de réalisation de l'extrémité d'une micropipette faisant partie de l'appareil représentée sur la figure 1, et, les figures 9 A et 9B sont des représentations schématiques montrant le dépôt d'une goutte sur deux supports présentant des sites de dépôt avec des écartements différents, avec une micropipette selon la figure 8.
Comme le montrent les figures des dessins annexés, l'appareil 1 de prélèvement et de dépôt sur une surface 2 sous forme de microgouttes 2' de solutions, notamment chimiques ou biologiques, comprend au moins une micropipette ou pointe de dépôt 3 montée sur une tête 4 mobile selon une direction Y ou Z ou deux directions différentes Y et Z, au moins entre un ou plusieurs site(s) de prélèvement 5 et un ou plusieurs site(s) de dépôt 6.
Préférentiellement, la tête 4 est montée mobile selon deux directions Y et Z sur une structure support du type portique fixe 12 et les plaques ou réceptacles 5' et 6' recevant respectivement les sites 5 et 6 sont mobiles indépendamment selon des directions parallèles X et XI, l'ensemble étant installé sur un plan support 13 fixe.
La ou les micropipettes 3 sont montées dans le corps de ladite tête 4, avec faculté de translation relative par rapport à cette dernière, par l'intermédiaire d'un dispositif 7 de contrôle et de limitation des efforts d'application de la ou des micropipettes 3 sur la surface de dépôt 2, associé à un dispositif 8, 8' de guidage en translation de cette ou ces dernières par rapport à ladite tête 4, lors ou en vue de leur mise en contact avec ladite surface 2.
L'appareil 1, tel que représenté sur les figures annexées, comprend, en outre, d'une part, un bras ou un portique 12 portant la tête mobile 4 et autorisant au moins son déplacement selon un axe ou le déplacement des micropipettes 3 dans un plan, préférentiellement selon deux directions orthogonales Y et Z et, d'autre part, un plan support 13 (d'une table ou d'un meuble analogue) sur lequel sont disposés le ou les sites 5 de prélèvement des solutions, par exemple sous la forme de plaquettes, de puits ou de contenants analogues, les sites 6 pour le dépôt en microréseaux des microgouttes 2' de solutions prélevées par les micropipettes 3 et un site ou une station 14 de vidange et de lavage desdites micropipettes 3, le bras ou portique 12 pouvant être déplaçable en translation dans une direction X sensiblement perpendiculaire au plan Y, Z de déplacement de la tête mobile 4 ou des micropipettes 3 montées sur cette dernière. De manière avantageuse, l'appareil 1 consiste en un robot programmable dont le bras en forme de portique 12 supportant la tête mobile 4 se déplace relativement par rapport au plan support 13 fixe ou dont les plaques ou réceptacles 5' et 6' se déplacent par rapport audit plan
13, le bras 12 étant fixe.
La figure 1 définit les différents axes de mouvement possibles pour la tête mobile 4, à savoir un déplacement longitudinal (axes X, XI) par l'intermédiaire du portique 12 ou des plaques 5' et 6', un déplacement transversal (axe Y) par translation de la tête sur la barre support dudit portique 12, et un déplacement vertical (axe Z) pour le prélèvement ou le dépôt.
On notera que le déplacement en vue du dépôt peut résulter du seul déplacement de la tête mobile 4 (dispositif 7 passif) ou de la combinaison d'un premier déplacement grossier de la tête mobile 4 et d'un déplacement fin final de chaque micropipette ou pointe de dépôt 3 par un actionneur 10 (dispositif 7 actif ou mixte).
La tête de dépôt 4 est avantageusement constituée de quatre sous-ensembles : les pointes de dépôt 3, un dispositif 8, 8' de guidage et de positionnement précis, un dispositif 7 de contrôle des efforts de contact et un ensemble de capillaires et de chambre de pression (non représenté spécifiquement) permettant le contrôle de la pression à l'intérieur des pointes de dépôt 3. La tête de dépôt 4 permet de déposer des gouttes 2' de forme prédéfinie (circulaire dans la plupart des cas) avec une grande régularité et une très bonne répétabilité et est munie d'une ou de plusieurs micropipettes ou pointes 3. Préférentiellement, comme le montre la figure 1, la tête mobile 4 comporte une pluralité de micropipettes 3 arrangées en rangées et en colonnes selon une structure matricielle à deux dimensions. Le nombre de pointes 3 doit être compatible avec la taille et la densité de gouttes 2* du microréseau à réaliser.
Le tableau ci-dessus donne, à titre d'indications non limitatives, des possibilités d'utilisation de têtes à pointes multiples selon l'invention. La tête de dépôt 4 permet de contrôler le volume exact prélevé dans chaque puits et de réaliser un lavage efficace (taux de contamination inférieur à
0,1%) entre deux chargements consécutifs.
Les pointes de dépôt 3 utilisées sont, comme le montrent les figures 1, 3 et 4, de forme cylindrique creuse (corps cylindrique 3' traversé longitudinalement par un canal 3"). Le diamètre extérieur D' du corps 3' (sans incidence sur la dimension des gouttes) doit permettre une bonne saisie et un guidage précis de la pointe, cette dernière étant taillée en cône à l'une 3'" de ses extrémités.
La figure 2 montre une esquisse de la réalisation d'une pointe de dépôt 3. La partie conique (sa forme spécifique et sa pente n'ont pas d'importance) permet de réduire le diamètre et de passer du diamètre extérieur D' au diamètre terminal D (diamètre extérieur de la surface de contact terminale 3""), ce dernier étant du même ordre de grandeur que le diamètre des gouttes 2' à déposer (un diamètre de 150 μm conduit à des gouttes de diamètre de 180 μm, par exemple). La surface de raccord 3'"" (partie de la surface extérieure de la micropipette mouillée lors du contact de cette dernière avec la surface de dépôt) entre la partie effilée 3'" et la surface de contact terminale 3"" peut être conique ou avoir une autre forme. On peut par exemple vouloir optimiser la taille des gouttes en fonction des variations de viscosité ou de tension de surface des solutions ce qui nécessitera une forme et une configuration particulières de la partie effilée 3'" et de la surface de raccord 3'"".
Préférentiellement, ladite surface de raccord 3"'" réalise un passage continu entre la surface conique de l'extrémité effilée 3'" et la surface de contact plane 3"", avantageusement générée par une portion de courbe parabolique.
Comme le montre, à titre d'exemple, la figure 7 des dessins annexés, la surface de raccord 3"'" doit avantageusement permettre le passage progressif de la surface terminale 3"" plane et cylindrique à la surface 3'" conique. Il est, de ce fait, nécessaire d'avoir un raccordement tangent et une variation progressive de la pente.
Le diamètre intérieur d influence deux paramètres essentiels du procédé de dépôt, à savoir la pression de contact de la pointe avec la surface de dépôt et la vitesse du processus de lavage. Pour aboutir à un bon compromis entre ces deux paramètres, la valeur du diamètre intérieur d se situe préférentiellement entre 0,2 et 0,8 fois la valeur du diamètre terminal D. Le dispositif de guidage 8, 8' permet aux pointes de dépôt 3 de coulisser librement selon un axe perpendiculaire à la surface de dépôt 2. L'homme du métier notera que seul le déplacement final d'arrivée en contact avec la surface de prélèvement ou de dépôt doit être perpendiculaire, le mouvement préalable pouvant éventuellement être un mouvement de pivotement ou une suite de mouvements de translation selon différentes directions. La goutte 2' est déposée par contact entre la pointe 3 et la surface 2. La réserve de solution pour le dépôt de plusieurs gouttes 2' est constituée par le volume intérieur (canal 3") de la pointe 3 et par un éventuel volume supplémentaire (cylindre de diamètre plus important par exemple) à l'arrière de la pointe 3.
Dans le cas d'une tête 4 multipointe, le dispositif de guidage 8, 8' peut être commun à toutes les pointes 3 ou propre à chacune. Le mouvement d'approche et de mise en contact est obtenu par la commande de l'axe Z du portique 12, par un actionneur 10 spécialement dédié à cette tâche ou par la combinaison des deux actions précitées (dispositif 7 mixte).
Le dispositif 7 de contrôle des efforts de contact entre la pointe de dépôt 3 et la surface 2 est un élément essentiel pour l'obtention de microréseaux de qualité. La surface terminale 3"" de la pointe de dépôt est plane et permet de garantir une valeur maximale de pression de contact (et donc d'étanchéité) entre la pointe 3 et la surface 2 par le contrôle de la force d'interaction pointe-surface. Cette force est contrôlée par un dispositif compliant passif 9 ou par un dispositif actif 10 (actionneur), qui garantit la qualité du dépôt des gouttes ainsi que l'accrochage des molécules (d'ADN par exemple) sur la surface. Ce dispositif 7 ainsi que la forme des pointes 3 évitent les projections de liquide sur la surface 3, ainsi que l'éclatement des gouttes 2'. La figure 3 montre schématiquement un dispositif compliant passif. Ce dispositif 9 est constitué par un élément flexible (type lame ressort) ou compressible (type ressort de traction-compression) qui exerce une force sur la pointe 3 ou sur une pièce 9' solidaire de la pointe, cette force étant réglée par un élément de tarage (par exemple vis ou rondelle formant cale de réglage), placé à l'arrière du dispositif compliant 9 à l'opposé de la butée 9' solidaire de la micropipette 3 ou du même côté que cette dernière. La force d'interaction avec la surface de dépôt 2 est donc une résultante de la force de tarage initiale et de la valeur de déplacement selon l'axe Z lors du dépôt.
La figure 4 montre un mode de réalisation du dispositif 7 sous la forme d'un dispositif actif mixte. Ce dispositif est constitué d'un actionneur 10 qui exerce une force sur la pointe 3 ou sur une pièce 9' solidaire de la pointe 3. Cette force est exercée soit directement (non représenté), soit par l'intermédiaire d'un dispositif compliant 9 (type ressort) monté entre une pièce de transmission d'effort 10' sur laquelle agit l'actionneur 10 et la pièce 9'. Cette pièce 10' pourra, le cas échéant, servir d'élément de tarage.
La force pour le déplacement et la mise en contact est créée par un actionneur 10 (électrique, pneumatique ou hydraulique). Dans le cas d'un actionneur électromagnétique, par exemple un électroaimant ou un moteur linéaire, un dispositif électronique de commande (non représenté) permet d'asservir la force exercée. La force est mesurée soit directement par un capteur 11 inséré entre le dispositif compliant 9 et la pointe 3, soit indirectement par un modèle d'observateur et la mesure de déformation du dispositif compliant.
Lorsqu'il n'y a pas de dispositif compliant 9, la force est mesurée directement entre l'actionneur 10 et la pointe 3.
L'asservissement de force permet de contrôler la force d'interaction avec la surface 2 et en particulier sa valeur maximale. Cette action permet de garantir que l'on n'abîme pas la surface, son revêtement ou tout autre produit qu'on aurait déposé dessus, ni les pointes 3 elles-mêmes. L'asservissement est réalisé soit par un dispositif purement électronique analogique, soit par un système numérique à microprocesseur ou encore par les deux à la fois. La consigne est élaborée en fonction de la tâche à réaliser (microréseau) et du ou des matériaux déposés sur la surface de dépôt 2 ou constituant cette dernière. Le dispositif compliant 9 permet d'amortir le choc lors du contact. En l'absence de dispositif compliant 9, le choc est amorti par un choix approprié de la consigne de l'asservissement.
La figure 5 détaille les différentes fonctions relatives à l'ensemble de régulation et d'asservissement des efforts de contact. La valeur de l'effort de contact est obtenue soit par la mesure directe de celui- ci, soit indirectement par la détermination à l'aide d'une équation de comportement mécanique et la mesure d'une grandeur de même type ou de nature différente. Il est par exemple possible de déterminer l'effort de contact par la mesure du déplacement de la pointe et de l'équation dynamique de comportement de la partie mobile (la technique de détermination peut être basée sur un estimateur ou sur un observateur). L'étage alimentant l'actionneur est par exemple un amplificateur de puissance (par exemple un étage linéaire dit "push-pull", un étage connu sous la désignation MLI, etc.). Les boucles de régulation et d'asservissement sont composées des fonctions de mesure et/ou d'observation/prédiction, de filtrage, de comparaison, de correction et de génération de signaux de consigne (commande). Les fonctions d'observation/prédiction, de filtrage, de comparaison, de correction et de génération de signaux de consigne peuvent être réalisées de manière connue par un dispositif numérique à microprocesseur, ou par une solution analogique.
Les inventeurs ont, par ailleurs, constaté qu'une des difficultés possibles empêchant un bon dépôt reproductible provient de la double fonction de la surface de contact terminale 3"". En effet, comme le montrent les figures 2 à 4 des dessins annexés, cette surface 3"" doit à la fois permettre l'adhésion des produits chimiques ou biologiques et servir de référence pour arrêter le mouvement de translation selon la normale.
Une solution peut consister à séparer les deux fonctions, c'est-à- dire prévoir une première surface 3"" réalisant le dépôt et une seconde surface 17' réalisant la limitation du mouvement normal de la micropipette 3 considérée.
Les figures 8, 9A et 9B illustrent un mode de réalisation d'une micropipette répondant à la solution indiquée ci-dessus, mise en œuvre avec des plaquettes comportant des sites ou zones de dépôt 6, 19 et des sites ou zones d'appui 20. Sur les figures 9A et 9B, on distingue les deux zones 19 et 20 sur le substrat de réception. La zone 19 est la surface de dépôt des produits chimiques ou biologiques. La zone 19 est donc recouverte des mêmes produits adhérents (polylysine, silane, etc.) qu'habituellement dans la production de microréseaux. La zone 20 ne reçoit aucun dépôt de produit et n'a pour fonction que d'arrêter le mouvement selon l'axe perpendiculaire à la surface de dépôt.
La micropipette 3 a dans ce cas une forme particulière adaptée à l'opération de dépôt. Elle possède une surface de contact ou de liaison supplémentaire 17' venant en liaison avec la zone 20. La pression de contact entre la micropipette et la zone 20 est limitée par les mêmes dispositifs 5 à 7 que ceux exposés précédemment. La surface terminale 3"" de la micropipette 3 est conçue pour être alors à proximité ou juste en contact avec la zone de dépôt 19. Il est bien entendu nécessaire de prévoir une différence de niveau entre les surfaces 3"" et 17' compatible avec la différence de niveau des surfaces de réception 19 et 20. La partie centrale de la micropipette 3 possède les mêmes caractéristiques que celles décrites en relation avec la figure 2, à savoir une surface terminale 3"", une surface conique 3"", une surface 3' sensiblement cylindrique et éventuellement une surface de raccord 3'"". Elle est également toujours traversée par un canal 3" de circulation débouchant sur la surface 3"".
Comme le montrent les figures 9A et 9B, les zones 19 et 20 peuvent être situées dans des plans mutuellement décalés, de même que les surfaces 17' et 3"". La zone 18 forme un creux séparant clairement la surface 3'" de la surface 17' et a pour rôle essentiel d'éviter que le liquide mouillant la surface 3"" n'aille mouiller la surface 17'.
Lorsque la zone 19 est située plus basse que la zone 20, on peut alors placer un autre dépôt à proximité sans risque de toucher le dépôt précédent. La figure 9 A montre la position de la micropipette 3 lors d'un dépôt à proximité d'un dépôt précédent. Le creux est dans ce cas choisi avec une profondeur supérieure à la hauteur des dépôts précédemment formés. La figure 9B montre le cas d'un dépôt avec recouvrement partiel du dépôt précédent par la micropipette 3. Un dispositif particulier est élaboré pour permettre le nettoyage des micropipettes 3. Un autre dispositif est mis en œuvre pour éliminer le liquide mouillant les surfaces 17' et 18 après un prélèvement. En vue de l'utilisation de la tête mobile, un ensemble capillaires / chambre de pression associée permet de relier la ou les pointes de dépôt à une pompe (péristaltique ou autres) et permet de faire circuler des fluides (eau, solvant, air, gaz) à l'intérieur des pointes. Il assure ainsi une double fonction : un nettoyage efficace lors du lavage (décrit par la suite) et un contrôle précis des quantités de liquide manipulé (ce qui est particulièrement important lors du prélèvement de solutions de composés biologiques ou chimiques), permettant ainsi d'économiser les solutions.
La figure 6 montre une possibilité de réalisation d'un circuit fluidique associé à la tête mobile 4.
La chambre de pression 15 permet d'équilibrer les pressions lorsque plusieurs micropipettes ou pointes 3 sont contrôlées par le même canal de la pompe. Les pointes de dépôt 3 sont reliées à la chambre de pression 15 par des tuyaux de raccord 15' flexibles et peuvent éventuellement être raccordées entre eux par des tés de raccord 15". La chambre de pression 15 peut être un élément de liaison spécifique ou être constituée des tuyaux de raccord eux-mêmes. Le rôle de la chambre de pression est de faire communiquer les tuyaux raccordés aux pointes 3 avec les pompes 16 ou des réservoirs 16' de stockage de fluide (sous pression ou non). Des électrovannes commandées par l'unité (ordinateur) de contrôle sont ouvertes en fonction des processus de lavage ou de dépôts. L'électro vanne EV1 contrôle via un fluide gazeux la pression ou dépression de la chambre et des tuyaux de raccord. L'électrovanne EN2 contrôle via un fluide liquide la pression ou dépression de la chambre et des tuyaux raccord. Le fluide liquide est principalement utilisé durant le processus de lavage. L'électrovanne EN3 permet de relier la chambre et les tuyaux de raccord à la pression atmosphérique et ainsi d'équilibrer les pressions de part et d'autre de la colonne de solution contenue dans les pointes 3.
L'invention a également pour objet un procédé de dépôt de réseaux haute densité de microgouttes de solutions sur une surface au moyen de l'appareil décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il consiste à amener la tête mobile 4 vers un site de prélèvement 5, à prélever, par trempage des extrémités des micropipettes 3 dans des puits ou des contenants similaires d'un site de prélèvement 5, une quantité déterminée des solutions présentes dans ces contenants, à transférer la tête mobile 4 vers un site de dépôt 6, à déposer, sous la forme d'un réseau de microgouttes 2', une quantité déterminée des solutions prélevées sur la surface de dépôt 2 par appui à effort contrôlé desdites pipettes 3 sur ladite surface 2, à répéter éventuellement une ou plusieurs fois cette opération de dépôt en déplaçant successivement la tête mobile 4 vers un ou plusieurs autres sites de dépôt 6, à déplacer la tête mobile 4 vers la station 14 de vidange et de lavage et à procéder au nettoyage des micropipettes 3 et des autres éléments ayant été en contact avec les solutions prélevées, en vue de leur décontamination, et à répéter l'ensemble des opérations précitées jusqu'à épuisement des solutions à prélever et/ou saturation de la surface de dépôt 2. Cette dernière pourra être constituée par la surface d'un substrat, ou d'une plaquette quelconque, par exemple d'une plaquette de silicium faisant partie d'une biopuce.
Le lavage ou nettoyage des pointes 3 peut se décomposer en plusieurs étapes : - le rejet des solutions contenues dans les pointes,
- le nettoyage des pointes par répétition d'une suite d'aspiration et de rejet de produits solvants,
- le nettoyage de la surface terminale 3"" des pointes par leur mise en contact répétée avec une surface recouverte d'un produit susceptible de faire adhérer audit produit les résidus de solution encore déposés ou collés à ladite surface terminale 3"", préférentiellement un produit identique à celui recouvrant les sites de dépôt 6 (par exemple de la polylysine),
- le séchage des pointes par un jet d'air ou d'un autre gaz. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1) Appareil de prélèvement et de dépôt sur une surface sous forme de microgouttes de solutions, notamment chimiques ou biologiques, comprenant au moins une micropipette ou pointe de dépôt montée sur une tête mobile selon au moins une direction, au moins entre un ou plusieurs site(s) de prélèvement et un ou plusieurs site(s) de dépôt, caractérisé en ce que la ou les micropipettes (3) sont creuses et sont montées dans le corps de ladite tête (4), avec faculté de translation relative par rapport à cette dernière, par l'intermédiaire d'un dispositif (7) de contrôle et de limitation des efforts d'application de la ou des micropipettes (3) sur la surface de dépôt (2), associé à un dispositif (8, 8') de guidage de cette ou ces dernières par rapport à ladite tête (4), lors ou en vue de leur mise en contact avec ladite surface (2).
2) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque micropipette (3) présente un corps (3'), cylindrique ou non, traversé longitudinalement par un canal (3") et présentant une extrémité effilée (3'"), par exemple de forme sensiblement conique, se terminant par une surface de contact terminale (3""), annulaire et plane.
3) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité effilée (3'") présente, avant de déboucher sur la surface de contact terminale (3""), une surface de raccord (3'"") réalisant un passage continu entre la surface conique de l'extrémité effilée (3'") et la surface de contact plane (3""), avantageusement générée par une portion de courbe parabolique.
4) Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que chaque micropipette (3) est pourvue, au niveau de son extrémité libre ou de dépôt, d'une formation protubérante (17) sensiblement annulaire, circonférentiellement continue ou non, entourant l'extrémité effilée (3'") et séparée de cette dernière par une zone (18) de renfoncement annulaire formée ou ménagée dans ladite extrémité du corps (3') de la micropipette (3) considérée, ladite formation protubérante annulaire (17) se terminant par une surface de contact terminale (17') plane, située dans un plan parallèle, et le cas échéant confondu, avec le plan comprenant la surface de contact (3"") de l'extrémité effilée (3'"). 5) Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les surfaces de contact (3"" et 17') sont décalées entre elles dans la direction longitudinale du corps (3') de chaque micropipette (3) et en ce que les sites de prélèvement (5) et de dépôt (6) sont situés dans des creux ou des renfoncements (19) correspondants.
6) Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le diamètre extérieur (D) de la surface de contact annulaire (3"") ou diamètre terminal est sensiblement égal au diamètre des microgouttes (2') à obtenir et en ce que le rapport d/D entre ledit diamètre terminal (D) et le diamètre intérieur (d) de ladite surface de contact (3"") présente une valeur comprise entre 0,2 et 0,8.
7) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de guidage (8, 8'), propre à chaque micropipette (3) ou commun à toutes les micropipettes (3), assure un double guidage en translation du corps (3') de chaque micropipette (3), au niveau de deux zones de guidage espacées (8 et 8') par rapport à la tête mobile (4) dans le corps (4') de laquelle elle est montée.
8) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque dispositif de contrôle et de limitation d'effort (7) consiste en un dispositif compliant passif (9), tel qu'un élément intermédiaire élastiquement flexible ou compressible, assurant une transmission contrôlée des efforts de poussée et du mouvement de translation entre le corps (4') de la tête mobile (4) et la micropipette (3) concernée. 9) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque dispositif de contrôle et de limitation d'effort (7) consiste en un dispositif actif sous la forme d'un actionneur (10) solidaire de la tête mobile (4), agissant directement sur le corps (3') de la micropipette (3) considérée ou sur une pièce de transmission des efforts (10') formée ou fixée sur cette dernière en vue de sa mise en contact avec la surface (2) et contrôlé au moyen d'une boucle de régulation et d'asservissement intégrant également un moyen de mesure ou de détermination directe ou indirecte (11) de la force d'application de ladite micropipette (3) sur la surface de dépôt (2). 10) Appareil selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que chaque dispositif de contrôle et de limitation d'effort (7) consiste en un dispositif mixte intégrant un actionneur (10) commandé par une boucle de régulation et d'asservissement intégrant un moyen de mesure ou de détermination directe ou indirecte (11) et agissant sur la micropipette (3) associée par l'intermédiaire d'un dispositif compliant passif (9).
11) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la tête mobile (4) comporte une pluralité de micropipettes (3) arrangées en rangées et en colonnes selon une structure matricielle à deux dimensions.
12) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la quantité de liquide prélevée et déposée par chaque micropipette (3) est contrôlée par l'intermédiaire de moyens (15, 15', EN1, EV2, EN3) réalisant une variation de pression d'un gaz au niveau de l'extrémité de la micropipette (3) opposée à son extrémité libre ou de dépôt.
13) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, d'une part, un bras ou un portique (12) portant la tête mobile (4) et autorisant au moins le déplacement des micropipettes (3) dans un plan, préférentiellement selon deux directions orthogonales (Y et Z) et, d'autre part, un plan support (13) sur lequel sont disposés le ou les sites (5) de prélèvement des solutions, par exemple sous la forme de plaquettes, de puits ou de contenants analogues, les sites (6) pour le dépôt en microréseaux des microgouttes (2') de solutions prélevées par les micropipettes (3) et un site ou une station (14) de vidange et de lavage desdites micropipettes (3), le bras ou portique (12) pouvant être déplaçable en translation dans une direction (X) sensiblement perpendiculaire au plan (Y, Z) de déplacement des micropipettes (3) montées sur la tête mobile (4).
14) Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que les sites de prélèvement et de dépôt (5 et 6) sont disposés sur des plaques ou dans des réceptacles (5' et 6') mobiles indépendamment dans des directions (X, XI) parallèles entre elles et perpendiculaires au plan contenant les deux directions (Y et Z) de déplacement des micropipettes (3) montées sur la tête mobile (4).
15) Procédé de dépôt de réseaux haute densité de microgouttes de solutions sur une surface au moyen de l'appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il consiste à amener la tête mobile (4) vers un site de prélèvement (5), à prélever, par trempage des extrémités des micropipettes (3) dans des puits ou des contenants similaires d'un site de prélèvement (5), une quantité déterminée des solutions présentes dans ces contenants, à transférer la tête mobile (4) vers un site de dépôt (6), à déposer, sous la forme d'un réseau de microgouttes (2'), une quantité déterminée des solutions prélevées sur la surface de dépôt (2) par appui à effort contrôlé desdites pipettes (3) sur ladite surface (2), à répéter éventuellement une ou plusieurs fois cette opération de dépôt en déplaçant successivement la tête mobile (4) vers un ou plusieurs autres sites de dépôt (6), à déplacer la tête mobile (4) vers la station (14) de vidange et de lavage et à procéder au nettoyage ou lavage des micropipettes (3) et des autres éléments ayant été en contact avec les solutions prélevées, en vue de leur décontamination, et à répéter l'ensemble des opérations précitées jusqu'à épuisement des solutions à prélever et/ou saturation de la surface de dépôt (2).
16) Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le nettoyage des micropipettes (3) comprend notamment le nettoyage de la surface terminale (3"") des pointes par leur mise en contact répétée avec une surface recouverte d'un produit susceptible de faire adhérer audit produit les résidus de solution encore déposés ou collés à ladite surface terminale (3""), préférentiellement un produit identique à celui recouvrant les sites de dépôt (6).
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