EP3085444B1 - Dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'un fluide - Google Patents

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EP3085444B1
EP3085444B1 EP16166022.0A EP16166022A EP3085444B1 EP 3085444 B1 EP3085444 B1 EP 3085444B1 EP 16166022 A EP16166022 A EP 16166022A EP 3085444 B1 EP3085444 B1 EP 3085444B1
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fluid
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Yves Fouillet
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Definitions

  • the present invention relates to microfluidic devices of the biochip type, and more particularly, to a microfluidic device for controlling and linking several fluid flow steps and to an analysis method implemented by such a device.
  • the invention finds applications in many fields, such as, among others, the fields of medical research, biology and pharmaceuticals.
  • a microfluidic device that can link several fluid flow steps is known in the field of medical or chemical analysis microsystems.
  • the patent application EN 2897282 describes a method for controlling the advance of a liquid in a microfluidic component comprising a plurality of reaction zones as well as a plurality of passive valves exploiting capillary forces making it possible to block the fluid between the reaction zones.
  • Control of the advance of the liquid is carried out by controlling the pressure upstream and downstream of the component.
  • a pressure pulse unlocks a valve and allows the liquid to advance.
  • 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 of the reaction zones, the surface states or the wetting properties must be finely determined, which complicates the production of the device. In particular, the addition or removal of wetting agent necessary for a given biological protocol may be incompatible with the basic principle of blocking valves.
  • the object of the present invention is, therefore, to remedy the aforementioned drawbacks by proposing a microfluidic device for controlling the flow of a fluid perfectly suited to a chemical or biological protocol and very simple to use. realize.
  • the microfluidic chambers themselves make it possible to move a fluid according to a well-controlled sequence of operations without resorting either to subsidiary valves or to pumps and without depending on the state of the surfaces or wetting properties of the walls of said chambers.
  • this device makes it possible to have a large number of reaction chambers with well-calibrated identical volumes requiring no means of measurement while minimizing dead volumes. This allows easy and precise transport of 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.
  • the deformable membrane has a dual function, namely a valve and a pump function.
  • At least one of the microfluidic chambers contains an on-board reagent (preferably dried or freeze-dried) adapted to react with the fluid of interest.
  • an on-board reagent preferably dried or freeze-dried
  • the fluid of interest mixes with the reagent(s) which is (are) already present in the device making it possible to carry out in a simple manner a chemical or biological analysis protocol at many stages.
  • the volume of a microfluidic communication channel is approximately ten times smaller than the volume of a cavity. This makes it possible to minimize the appearance of air bubbles and to avoid the dilution of the mixture (fluid and on-board reagents) during transport from chamber to chamber.
  • 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.
  • an inlet orifice or reservoir
  • the orifice being adapted to receive the fluid of interest.
  • the microfluidic network comprises an outlet orifice (or reservoir) formed in the first substrate or the second substrate and connected to an outlet of said at least one series of microfluidic communication channels.
  • the mixture can be easily recovered or evacuated.
  • the first substrate, the membrane and the second substrate are assembled in such a way as to ensure sealed contact between the membrane and the first and second surfaces of the first and second substrates while creating a space of flow at the level of the cavities and the microfluidic channels of communication.
  • the assembly is carried out by bonding, by plasma, or by mechanical plating.
  • the assembly can be carried out by various methods with or without glue or by a simple mechanical plating which can be ensured by a flange system.
  • the device comprises an actuation mechanism adapted to act on the membrane at the level of each microfluidic chamber in order to switch the state of the selected microfluidic chamber.
  • the actuation mechanism is selected from the following mechanisms: pneumatic, mechanical, electrostatic, piezoelectric, and magnetic.
  • the actuation mechanism is a pneumatic mechanism suitable for deforming the membrane by exerting pressure via actuation holes formed in the second substrate and emerging at the levels of the microfluidic chambers, the change of state of any microfluidic chamber being carried out by modifying the pressure value exerted on the membrane via the actuation hole corresponding to said microfluidic chamber.
  • 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 stuck 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 pressed against the first microfluidic surface while matching the shape of the corresponding cavity so that the volume between the membrane and the cavity is almost zero, thus blocking the flow of the fluid of interest through said chamber.
  • 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.
  • said at least one series of cavities is formed on the second microfluidic surface and said at least one series of microfluidic communication channels is formed on the first microfluidic surface
  • a microfluidic chamber being in an open state when the membrane is pressed against the second microfluidic surface while matching 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
  • a microfluidic chamber being in a closed state when the membrane is pressed against the first microfluidic surface so that the volume between the membrane and the first surface is almost zero, thus preventing the flow of fluid from interest through said chamber.
  • the cavities and the communication channels are machined on different substrates.
  • the first substrate and/or the second substrate are made of a transparent material.
  • the cavities have the shape of a spherical cap, the base of which has a diameter between about 1 mm and 1 cm and the height of which is between about 100 ⁇ m and 1 mm.
  • reaction volumes of a few microliters (100 nl to 100 ⁇ l).
  • each channel of said at least one series of microfluidic communication channels has a length between approximately 1 mm and 5 mm and a section between approximately 50 ⁇ m and 500 ⁇ m on a side.
  • each microfluidic channel is at most ten times smaller than that of a microfluidic chamber.
  • each of said first and second substrates has a thickness between about 200 ⁇ m and 4 mm and a surface of the order of several square centimeters.
  • the material of the first substrate and/or of the second substrate is selected from the following materials: polycarbonate polymer, PMMA, COC, silicon, and paper.
  • the microfluidic network comprises a set of microfluidic branches connected to the same inlet orifice and each comprising a series of microfluidic communication channels sequentially connecting a corresponding series of microfluidic chambers.
  • the branches are arranged in a comb or in a star from said inlet orifice.
  • the liquid mixes with the reagents performing, for example, a multi-step biological analysis protocol.
  • the method comprises stirring steps by causing the liquid to switch between two microfluidic chambers a determined number of times.
  • the method includes a step of optical measurement (of fluorescence or colorimetric) of the (reaction) liquid in at least one (last) detection chamber.
  • the concept underlying the invention consists in controlling the flow of a fluid through a succession of reservoirs without using valves and without resorting to capillary forces.
  • FIG. 1 very schematically illustrates a microfluidic device for controlling the flow of a fluid of interest, according to the invention.
  • the microfluidic device 1 comprises a microfluidic network 3 comprising at least one series of microfluidic chambers 5 interconnected sequentially.
  • the microfluidic chambers 5 are capable of being deformed in a retracted or deployed manner. More particularly, each microfluidic chamber 5 is switchable between a first closed state preventing or blocking the flow of the fluid of interest through the chamber 5 and a second open state allocating to the chamber in the open state a predetermined volume while pumping (aspirating) the fluid of interest into this chamber.
  • the open state thus allows the flow of the fluid of interest while calibrating the volume of the chamber. More particularly, the volume of each chamber 5 is adjustable or inflatable between an almost zero volume and a calibrated or predetermined non-zero volume.
  • the chamber 5 When the chamber 5 is in a closed state, its volume is zero and therefore the advance of the fluid is blocked. In contrast, when the chamber is in an open state, its volume is calibrated and fluid can flow to fill the chamber. The action of switching the state of a chamber from a closed state to an open state makes it possible to pump the fluid into this chamber. Thus, the successive actuation of the microfluidic chambers 5 between a closed state and an open state makes it possible to move a reaction volume from chamber to chamber without using auxiliary valves and without resorting to pumps or capillary forces. It will be noted that the volumes of the different chambers 5 in the open state are identical. Advantageously, the volume of a chamber 5 in the open state is of the order of a few hundred nanoliters to a few hundred microliters.
  • the microfluidic device 1 also includes a reservoir or inlet 7 suitable for receiving a sample of a fluid of interest.
  • the inlet orifice 7 is connected to an inlet of the microfluidic network and more particularly to a first chamber of the series of microfluidic chambers 5.
  • a single series of chambers is represented on the Fig. 1 but of course, the microfluidic device can include a plurality of suites of chambers (see Figs. 9A and 9B ) and optionally a plurality of inlets.
  • the microfluidic device 1 can be used to perform a chemical or biological analysis on a sample of a fluid of interest consisting for example of a biological fluid.
  • reagents can be loaded in dried form in at least one of the microfluidic chambers 5.
  • the fluid of interest placed in the inlet 7 mixes with the reagents in order to carry out a multi-step analysis protocol.
  • 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 microfluidic device 1 comprises two substrates 11, 13 and a deformable membrane 15 arranged between the two substrates.
  • the first substrate 11 comprises a first microfluidic surface 111 and the second substrate 13 comprises a second microfluidic surface 131.
  • the first and second surfaces 111, 131 are parallel to each other and separated from each other by the deformable membrane 15.
  • the first and second surfaces 111, 131 can be of rectangular or circular shape or any other shape.
  • a direct orthonormal coordinate system in Cartesian coordinates shown in FIG. 2A.
  • the plane (X,Y) is parallel to said first and second surfaces 111, 131 and the Z direction is oriented from the second surface 131 towards the first surface 111.
  • Each of the first 11 and second 13 substrates has a thickness in the Z direction between approximately 200 ⁇ m and 4 mm and a surface (i.e., area of the first or of the second microfluidic surface in an (X,Y) plane) of the order of several square centimeters, typically an area equivalent to a microscope slide or a credit card.
  • the deformable membrane has a thickness (in the Z direction) of the order of a hundred microns (10 ⁇ m to 1 mm), for example 300 ⁇ m.
  • the material of the first substrate 11 and/or of the second substrate 13 is selected from the following materials: polycarbonate polymer, PMMA, COC, silicon, and paper.
  • the membrane 15 is formed of a highly deformable material such as, for example, an elastomer from the family of silicones (eg PDMS polydimethylsiloxane, Ecoflex® ).
  • At least one series of cavities 51 is formed on one or the other of the first and second microfluidic surfaces 111, 131.
  • the Fig. 3 shows that the cavities 51 are formed on the first microfluidic surface 111 of the first substrate 11 and the Fig. 7 shows that the cavities 51 are formed on the second microfluidic surface 131 of the second substrate 13.
  • the cavities 51 have the shape of a spherical cap whose base has a diameter in a plane (X,Y) between about 1 mm and 1 cm and whose height in the Z direction is between about 100 ⁇ m and 1 mm.
  • the series of cavities 51 delimits with the deformable membrane 15 the series of microfluidic chambers 5.
  • the deformable membrane 15 is able to be deformed at the level of each microfluidic chamber 5 to be 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 the first and second states.
  • the diaphragm is suitable for opening or blocking the passage of fluid as well as for pumping fluid from a reservoir or a bedroom to at least one other bedroom.
  • the microfluidic device 1 comprises an actuation mechanism 21 adapted to act on the membrane 15 at the level of each microfluidic chamber 5 in order to switch the state of the selected microfluidic chamber.
  • the actuation mechanism 21 can be of the pneumatic or mechanical type.
  • At least one series of microfluidic communication channels 25 is formed on either of the first and second microfluidic surfaces 111, 131.
  • Each series of microfluidic communication channels 25 sequentially connects the series of microfluidic chambers 5 (here, a single series of microfluidic communication channels 25 formed on the first surface 111 and a single series of microfluidic chambers 5 are illustrated). More particularly, the different channels of the series of microfluidic communication channels 25 connect the different microfluidic chambers 5 in series, each communication channel 25 having a length between approximately 1 mm and 5 mm and a section between approximately 50 ⁇ m and 500 ⁇ m in width. coast.
  • the series of microfluidic communication channels 25 has a smaller volume than that of the series of cavities 51.
  • the volume of a microfluidic communication channel 25 is at most ten times smaller than the volume of a microfluidic chamber 5.
  • V1 be the volume of a chamber 5 and V2 the volume of a microfluidic communication channel 25.
  • the actuation of two consecutive chambers generates a liquid displacement of V1-V2, because the volume V2 remains lost in the channel 25.
  • N displacements a fluidic volume of N x V2 is lost .
  • the experiment shows the appearance of a bubble of a volume approximately equivalent to volume V2. After N displacements, the volume of the air bubble is N times larger.
  • a buffer liquid for example water
  • the experience shows that the transported solution is slightly diluted. Thus, with each new movement, a new slight dilution will be observed.
  • V2/V1 ratio it is therefore advantageous to reduce the V2/V1 ratio as much as possible 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 the greater the number of chambers required for the analysis protocol.
  • each cavity 51 has a base of 3 mm and a height of 300 ⁇ m defining a chamber volume in the open state of 1.1 ⁇ l, whereas each microfluidic communication channel 25 measures 3 mm ⁇ 100 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m, which represents a volume of 0.1 ⁇ l.
  • each microfluidic communication channel 25 measures 3 mm ⁇ 100 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m, which represents a volume of 0.1 ⁇ l.
  • the microfluidic device 1 comprises a reservoir or inlet orifice 7 formed in the first substrate 11 and connected to an inlet 251 of the series of microfluidic communication channels 25 (i.e. to the first channel of the series of channels).
  • the microfluidic device 1 comprises an outlet orifice or reservoir (not shown) formed in the first substrate 11 or the second substrate 13 and connected to an outlet 253 of the series of microfluidic communication channels 25 (i.e. to the last channel of the sequence of channels).
  • actuation holes (or channels) 27 are advantageously formed in the first 11 or second 13 substrate in the direction Z to emerge at the levels of the microfluidic chambers 5. These actuation holes 27 are used to actuate the deformable membrane 15 by pneumatic or mechanical actuation mechanisms. For example by a pressing action by suction (suction cup effect).
  • the fluidic network 2 that is to say the inlet 7 and possibly outlet orifices, the cavities 51, the microfluidic communication channels 25 connecting the cavities 51, and the holes 27 or openings for pneumatic actuation or mechanical are machined according to methods known by the plastics industries such as mechanical machining with a numerically controlled machine, by 3D printing, or preferably by injection.
  • the first substrate 11, the membrane 15 and the second substrate 13 are assembled so as to ensure sealed contact between the membrane 15 and the first and second surfaces 111, 131 of the first and second substrates while providing a flow space at the level of the cavities 51 and the microfluidic communication channels 25.
  • the assembly can be made by bonding, by plasma, or by mechanical plating.
  • a reagent is advantageously deposited in at least one of the microfluidic chambers 5 either on the membrane 15 or either on the walls of the cavity 51 before the assembly of the microfluidic device 1.
  • at least one of the microfluidic chambers 5 contains an embedded reagent in dried or freeze-dried form and suitable for reacting with the fluid of interest.
  • FIG. 3 very schematically illustrates a microfluidic device for controlling the flow of a fluid of interest, according to a first preferred embodiment of the invention.
  • this figure illustrates a section of the microfluidic device along a (Y,Z) plane.
  • the suite(s) of cavities 51 (in the shape of a spherical cap) and the suite(s) of microfluidic communication channels 25 are formed on the first microfluidic surface 111 of the first substrate 11 More particularly, each series of microfluidic communication channels 25 sequentially connects the series of cavities 51, each channel 25 connecting two consecutive cavities 51. Furthermore, the inlet 7 is formed in the first substrate 11.
  • Actuation holes 27 are formed in the second substrate 13 emerging after assembly of the device 1 opposite the cavities 51.
  • the deformable membrane 15 is placed between the first substrate 11 (corresponding here according to the orientation Z to a plate upper) and the second substrate 13 (corresponding to a lower plate).
  • the series of microfluidic chambers 5 is formed by the deformable membrane 15 and the series of cavities 51.
  • each microfluidic chamber 5 is delimited by a corresponding cavity 51 and a corresponding part of the membrane 15 so that the state (open or closed) of the chamber 5 is defined by the actuation of this corresponding part of the membrane 15.
  • the two substrates 11 and 13 can be assembled with the deformable membrane 15 by gluing, the coating of which can be carried out by screen printing so as not to stick the membrane locally at the level of the cavities 51 or microfluidic communication channels 25 on the first 11 or second substrates 13.
  • An assembly without glue can also be envisaged by exposing the first and second microfluidic surfaces 111, 131 to an oxygen plasma before assembly. In this case, it is also possible to carry out a localized treatment so as not to stick the deformable membrane 15 at the level of the cavities 51 or microfluidic communication channels 25.
  • the three elements can simply be assembled (i.e. the first substrate 11, the membrane 15, and the second substrate 13) by mechanical plating provided by a clamp system (clamp, screws, etc.). ) or any known mechanical system (clips, rivets, etc.) making it possible to maintain good contact and good sealing between the membrane 15 and the two substrates 11 and 13 except at the level of the cavities 51 and microfluidic channels 25.
  • a clamp system clamp, screws, etc.
  • any known mechanical system clips, rivets, etc.
  • Figs. 4A and 4B schematically illustrate an assembly of the microfluidic device by mechanical plating. More specifically, the Fig. 4A illustrates an exploded view before assembly and Fig. 4B illustrates a view of the microfluidic device after assembly.
  • the first substrate 11 (corresponding to an upper plate) comprises the microfluidic communication channels and the imprints of the cavities 51 in the form of a spherical cap. Reagents 31 were dispensed and dried on the walls of the cavities 51.
  • the second substrate 13 (corresponding to a lower plate) comprises actuating holes 27 and lugs 135.
  • the number of lugs depends on the surface of the microfluidic device 1.
  • the assembly is carried out quite simply by bringing the first substrate 11 and the deformable membrane 15 on the second substrate 13 and the maintenance is obtained by the lugs 135.
  • the lower face of the deformable membrane 15 is in contact with the second surface 131 of the second substrate 13 (lower cover) and the lower face deformable membrane top 15 is in contact with the first surface 111 of the first substrate 111 (top cover).
  • about ten lugs will be placed distributed around the device in order to evenly distribute the pressing force.
  • FIGS. 5A and 5B schematically illustrate the states of a microfluidic chamber according to the embodiment of the Fig. 3 .
  • the Fig. 5A illustrates a view of a section in a (Y,Z) plane of a microfluidic chamber 5 in a closed state where the corresponding part of the membrane 15 is placed in a retracted form.
  • the part of the membrane 15 corresponding to the chamber 5 is pressed against a part of the first microfluidic surface 111 of the upper plate 11 while perfectly matching the shape of the corresponding cavity 51 so that the volume between the membrane 15 and the cavity 51 is almost zero, thus blocking the flow of the fluid of interest through the chamber 5.
  • the cavity 51 has the shape of a spherical cap and the membrane 15 locally matches the shape of the spherical cap 51 thus closing access to the microfluidic chamber 5.
  • FIG. 5B illustrates a view of a microfluidic chamber 5 in an open state where the corresponding portion of the deformable membrane 15 is put into an expanded shape. Indeed, according to this state, the part of the membrane corresponding to the chamber 5 is pressed against a part of the second microfluidic surface 131 of the lower plate 13 so that the membrane 15 and the corresponding cavity 51 delimit a reservoir of predetermined volume. equal to that of cavity 51, thus allowing the flow of the fluid of interest into chamber 5.
  • the microfluidic device 1 comprises a pneumatic actuation mechanism 21 adapted to act on the deformable membrane 15 at the level of each microfluidic chamber 5 in order to switch the state of the selected microfluidic chamber.
  • the pneumatic actuation mechanism 21 is suitable for deforming at least a part of the membrane 15 by exerting a pressure or a pressure pulse by means of a pressure fluid, and in particular a pressure gas via the actuation holes 27 formed in the second substrate 13 and emerging at the levels of the microfluidic chambers 5.
  • a pressure fluid and in particular a pressure gas
  • the change of state of any microfluidic chamber 5 is achieved by a modification of the pressure value exerted locally on the membrane 15 (here under the membrane) via the actuation hole 27 corresponding to the microfluidic chamber 5.
  • the pneumatic actuation mechanism 21 comprises an automaton 211 making it possible to program the pressure in each actuation hole 27.
  • a positive pressure makes it possible to raise (or retract) the deformable membrane 15 at the local level thus closing the microfluidic chamber 5 while a negative pressure ensures the plating of the deformable membrane 15 at the local level on the second microfluidic surface 131 of the lower plate 13 and therefore the opening of the microfluidic chamber 5.
  • the return to the open state of the microfluidic chamber 5 can be simply ensured by the stiffness of the membrane 15 if the latter is sufficiently rigid, and the open state can therefore be obtained with zero pressure (i.e. a setting at atmospheric pressure).
  • the actuation mechanism 21 may be a mechanical mechanism adapted to deform the deformable membrane 15 by actuating pistons (not shown) via the actuation holes 27 formed in the second substrate 131.
  • FIG. 6A schematically illustrates an analysis method implemented by means of a microfluidic device according to the invention.
  • a sample of a reaction liquid 33 (corresponding to the fluid of interest) is injected into the inlet orifice 7 of the microfluidic device 1.
  • the reaction liquid 33 is for example a biological liquid (blood, saliva, urine, etc.) or a chemical liquid that must be analyzed according to a multi-step protocol.
  • steps E1-E2 the state of the microfluidic chambers 5 is switched from the closed state to the open state according to a predetermined sequence of operations adapted to control the passage of the reaction liquid 33 between the various microfluidic chambers 5.
  • This chamber contains the onboard reagents 31 which are dissolved in contact with the liquid 33.
  • This first step makes it possible to carry out the first operation of the biological or chemical protocol by mixing the sample 33 with the first reagent 31.
  • table T3 makes it possible to define a discrete volume of fluid having a volume perfectly determined by the volume of the chamber R1. This volume of samples is transported step by step on the reservoirs R2 to R4 by the changes of state of different chambers.
  • step E24 it is also possible to generate (step E24) then move (step E25) a duplicate with two consecutive reservoirs placed in state 1. It is also possible to “cut the duplicate in two” (step E26) then reassemble it (step E27), etc.
  • the method includes stirring steps by causing the liquid 33 to switch between two microfluidic chambers 5 a determined number of times. Indeed, to assist and accelerate the mixing between the sample 33 and the reagents 31 in a chamber 5 of rank "i", it is possible to carry out stirring steps by circulating the liquid between the chamber of rank "i" and that of rank "i-1".
  • Table T5 below explains the mixing of reagent between chambers R2 and R3 by switching the liquid between these two microfluidic chambers 5 during seven operations.
  • about ten tiltings make it possible to thoroughly homogenize the reaction mixture by stirring. Table: T5 Stage no.
  • the analysis method includes a final step E4 ( Fig. 6A ) for measuring the liquid in at least one detection chamber.
  • the result of the analysis protocol can be carried out for example by a fluorescence measurement or by colorimetry according to the protocol used. Generally this operation is carried out at the end of the protocol, therefore in the last microfluidic chamber 5.
  • the first substrate 11 and/or the second substrate 13 and/or the membrane 15 are made of a transparent material, thus making it possible to see the contents of the microfluidic chambers 5 and to facilitate the optical measurement of the result.
  • 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.
  • each series of cavities 51 (in the shape of a spherical cap) is formed on the second microfluidic surface 131 of the second substrate 13.
  • each series of microfluidic communication channels 25 is formed on the first microfluidic surface 111 of the first substrate 11.
  • the continuity between the various channels of a series of microfluidic channels 25 formed on the first substrate 11 is ensured by the cavities 51 of the corresponding series of cavities formed on the second substrate 13.
  • the cavities 51 formed on the second microfluidic surface 131 have positions and diameters complementary to the positions and lengths of the channels 25 formed on the first microfluidic surface 111.
  • the inlet 7 is formed in the first substrate 11 and the actuation holes 27 are formed in the second substrate 13. It will be noted that here, the actuation holes 27 open into the corresponding cavities 51 .
  • the deformable membrane 15 is arranged between the first substrate 11 (corresponding here according to the orientation Z to an upper plate) and the second substrate 13 (corresponding to a lower plate).
  • the series of microfluidic chambers 5 is formed by the deformable membrane 15 and the series of cavities 51.
  • a microfluidic chamber 5 is in an open state when the corresponding part of the membrane 15 is deformed and it is in a closed state when the corresponding part of the membrane 15 is released.
  • FIGs. 8A and 8B schematically illustrate the states of a microfluidic chamber according to the embodiment of the Fig. 7 .
  • the Fig. 8A illustrates a view of a microfluidic chamber in a closed state where the corresponding part of the deformable membrane 15 is put in a relaxed shape by maintaining for example an atmospheric pressure via the actuating hole 27 formed in the second substrate 13.
  • the part of the membrane 15 corresponding to the chamber 5 is pressed against the corresponding part of the first microfluidic surface 111 (ie on the upper plate) so that the volume between the membrane 15 and this first surface 111 is virtually zero, thus blocking the flow of the fluid of interest through the chamber.
  • Fig. 8B illustrates a view of a microfluidic chamber 5 in an open state where the corresponding part of the membrane is put into a deformed shape.
  • the deformation of the membrane 15 at the level of the chamber 5 can be carried out by exerting a negative pressure via the actuating hole 27 formed in the second substrate 13.
  • the part of the membrane 15 corresponding to the chamber 5 is sucked in order to be pressed against the corresponding part of the second microfluidic surface 131 (ie, the lower plate) while matching the shape of the corresponding cavity 51 so that the deformed membrane 15 and the corresponding part of the first microfluidic surface 111 delimit a reservoir of predetermined volume equal to that of the cavity 51 thus allowing the flow of the fluid of interest in this reservoir.
  • FIGS. 9A, 9B and 9C very schematically illustrate different configurations of a microfluidic device, according to other embodiments of the invention.
  • the microfluidic network 3 comprises a set of microfluidic branches 37 connected to the same inlet orifice 7.
  • Each microfluidic branch 37 comprises a series of microfluidic communication channels 25 sequentially connecting a corresponding series of microfluidic chambers 5.
  • Fig. 9A shows that the branches 37 are arranged in a comb while the Fig. 9B shows that the branches 37 are arranged in a star from the inlet 7.
  • FIG. 9C shows an example of a more complex network comprising intersections or crossings between several fluidic paths. Each intersection makes it possible to perform a mixing operation between different liquids, or to transport different samples or reagents on a part of the microfluidic network. Note that the size of the rooms of the different paths may be different. For example, the arrows on the figure 9C indicate the possible directions of displacement of the fluidic volumes.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • 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.
  • 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.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
  • Un dispositif microfluidique pouvant enchaîner plusieurs étapes d'écoulement d'un fluide est connu dans le domaine des microsystèmes d'analyse médicale ou chimique.
  • En effet, la demande de brevet FR 2897282 décrit un procédé de contrôle de l'avancée d'un liquide dans un composant microfluidique comprenant une pluralité de zones de réaction ainsi qu'une pluralité de vannes passives exploitant des forces de capillarité permettant de bloquer le fluide entre les zones de réaction. Le contrôle de l'avancée du liquide s'effectue par le contrôle de la pression en amont et en aval du composant. Une impulsion en pression permet de débloquer une vanne et de permettre l'avancée du liquide.
  • 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.
  • 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.
  • US 2012/064597 , US 2013/130262 , US 2007/166199 et US 2006/076068 décrivent d'autres exemples de dispositifs microlfuidiques de contrôle d'écoulement d'un fluide.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • 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 calibré à ladite chambre, les volumes des chambres microfluidiques à l'état ouvert étant identiques, 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).
  • Ainsi, les chambres microfluidiques permettent elles-mêmes de faire déplacer un fluide selon une séquence d'opérations bien maîtrisée 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.
  • Avantageusement, au moins une des chambres microfluidiques contient un réactif embarqué (de préférence séché ou lyophilisé) adapté pour réagir avec le fluide d'intérêt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ainsi, un bon contact et une bonne étanchéité sont maintenus entre la membrane et les deux substrats.
  • Avantageusement, l'assemblage est réalisé par collage, par plasma, ou par un plaquage mécanique.
  • 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.
  • 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.
  • Ceci permet de réaliser un protocole d'analyse précis et automatique avec un mode opératoire simple.
  • Avantageusement, le mécanisme d'actionnement est sélectionné parmi les mécanismes suivants : pneumatique, mécanique, électrostatique, piézoélectrique, et magnétique.
  • Ainsi, il existe un grand choix de mécanismes pour actionner le changement d'état des différentes chambres microfluidiques.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Selon ce deuxième mode de réalisation, les cavités et les canaux de communication sont usinés sur différents substrats.
  • Avantageusement, le premier substrat et/ou le deuxième substrat sont réalisés dans un matériau transparent.
  • Ainsi, on peut utiliser une simple détection optique pour mesurer le résultat d'une analyse chimique ou biologique mise en oeuvre par le dispositif.
  • 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.
  • Ainsi, lors d'une analyse chimique ou biologique, on peut avantageusement viser des volumes réactionnels de quelques microlitres (100nl à 100 µl).
  • 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.
  • Ainsi, le volume de chaque canal microfluidique est au plus dix fois plus petit que celui d'une chambre microfluidique.
  • 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.
  • Avantageusement, le matériau du premier substrat et/ou du deuxième substrat est sélectionné parmi les matériaux suivants : polymère polycarbonate, PMMA, COC, silicium, et papier.
  • 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.
  • Ceci permet d'effectuer plusieurs analyses en parallèle.
  • Avantageusement, les branches sont disposées en peigne ou en étoile à partir dudit orifice d'entrée.
  • 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.
  • 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.
  • Ainsi, de chambre en chambre, le liquide se mélange aux réactifs réalisant par exemple un protocole d'analyse biologique à plusieurs étapes.
  • Avantageusement, le procédé comporte des étapes de brassage en faisant basculer le liquide entre deux chambres microfluidiques un nombre déterminé de fois.
  • Ceci permet d'accélérer le mélange entre le liquide réactionnel et le ou les réactif(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.
  • Ainsi, on peut facilement analyser (ou lire) le résultat du protocole d'analyse.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • 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 la Fig. 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 la Fig. 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 la Fig. 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.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ
  • 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.
  • La Fig. 1 illustre de manière très schématique un dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'un fluide d'intérêt, selon l'invention.
  • 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.
  • 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 Fig. 1 mais bien entendu, le dispositif microfluidique peut comporter une pluralité de suites de chambres (voir Figs. 9A et 9B) et éventuellement une pluralité d'orifices d'entrée.
  • 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.
  • 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.
  • Le dispositif microfluidique 1 comporte deux substrats 11, 13 et une membrane déformable 15 disposée entre les deux substrats.
  • 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.
  • Dans toute la description qui va suivre, par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (X,Y,Z) présenté sur la Fig. 2A. Le plan (X,Y) est parallèle auxdites première et deuxième surfaces 111, 131 et la direction Z est orientée à partir de la deuxième surface 131 vers la première surface 111.
  • 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.
  • 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®).
  • 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 Fig. 3 montre que les cavités 51 sont formées sur la première surface microfluidique 111 du premier substrat 11 et la Fig. 7 montre que les cavités 51 sont formées sur la deuxième surface microfluidique 131 du deuxième substrat 13.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Par ailleurs, des trous (ou canaux) d'actionnement 27 (voir Figs. 3 et 7) sont avantageusement formés dans le premier 11 ou deuxième 13 substrat selon la direction Z pour déboucher aux niveaux des chambres microfluidiques 5. Ces trous d'actionnement 27 sont utilisés pour actionner la membrane déformable 15 par des mécanismes d'actionnement pneumatique ou mécanique. Par exemple par une action de plaquage par succions (effet ventouse).
  • 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.
  • 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.
  • 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. En particulier, cette figure illustre une section du dispositif microfluidique selon un plan (Y,Z).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • En effet, les Figs. 4A et 4B illustrent de manière schématique un assemblage du dispositif microfluidique par un plaquage mécanique. Plus particulièrement, la Fig. 4A illustre une vue éclatée avant l'assemblage et la Fig. 4B illustre une vue du dispositif microfluidique après l'assemblage.
  • 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.
  • 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.
  • Les Figs. 5A et 5B illustrent de manière schématique les états d'une chambre microfluidique selon le mode de réalisation de la Fig. 3.
  • Plus particulièrement, la Fig. 5A illustre une vue d'une section dans un plan (Y,Z) d'une chambre microfluidique 5 dans un état fermé où la partie correspondante de la membrane 15 est mise dans une forme rétractée. En effet, selon cet état, la partie de la membrane 15 correspondante à la chambre 5 est plaquée sur une partie de la première surface microfluidique 111 de la plaque supérieure 11 tout en épousant parfaitement la forme de la cavité 51 correspondante de sorte que le volume entre la membrane 15 et la cavité 51 est quasiment nul bloquant ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt au travers de la chambre 5. ici la cavité 51 présente une forme d'une calotte sphérique et la membrane 15 épouse localement la forme de la calotte 51 sphérique fermant ainsi l'accès à la chambre microfluidique 5.
  • La Fig. 5B illustre une vue d'une chambre microfluidique 5 dans un état ouvert où la partie correspondante de la membrane déformable 15 est mise dans une forme déployée. En effet, selon cet état, la partie de la membrane correspondante à la chambre 5 est plaquée sur une partie de la deuxième surface microfluidique 131 de la plaque inférieure 13 de sorte que la membrane 15 et la cavité 51 correspondante délimitent un réservoir de volume prédéterminé égal à celui de la cavité 51 autorisant ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt dans la chambre 5.
  • 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.
  • En effet, le mécanisme d'actionnement pneumatique 21 est adapté pour déformer 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.
  • 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).
  • 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.
  • La Fig. 6A illustre de manière schématique un procédé d'analyse mis en oeuvre au moyen d'un dispositif microfluidique selon l'invention.
  • 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 ».
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 -7 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.
  • En particulier, la Fig. 6B illustre une vue de dessus d'une partie d'un dispositif microfluidique 1 selon l'invention montrant une première chambre microfluidique 5 dans un état fermé « R1=0 » ne contenant aucun fluide et une deuxième chambre microfluidique 5 dans un état ouvert « R2=0 » contenant le liquide réactionnel 33 (éventuellement mélangé avec le réactif).
  • 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.
  • La succession des états du procédé de la Fig. 6A pour un protocole à quatre opérations effectuées dans quatre chambres microfluidiques 5 successives peut être résumée dans le tableau T1 de la manière suivante : Tableau : T1
    N° étape R1 R2 R3 R4
    Initiale 0 0 0 0
    E1 1 0 0 0
    E2 0 1 0 0
    E3 0 0 1 0
    E4 0 0 0 1
  • 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 : Tableau : T2
    N° étape R1 R2 R3 R4
    Initiale 0 0 0 0
    E1 1 0 0 0
    E2 1 1 0 0
    E3 1 1 1 0
    E4 1 1 1 1
  • 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 : Tableau : T3
    N° étape RT R1 R2 R3 R4
    Initiale 0 0 0 0 0
    E11 1 0 0 0 0
    E12 1 1 0 0 0
    E13 0 1 0 0 0
    E14 0 0 1 0 0
    E15 0 0 0 1 0
    E16 0 0 0 0 1
  • 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.
  • 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.
  • 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. Tableau : T4
    N° étape RT R1 R2 R3 R4
    Initiale 0 0 0 0 0
    E31 1 0 0 0 0
    E32 1 1 0 0 0
    E33 1 0 1 0 0
    E34 0 1 1 0 0
    E35 0 0 1 1 0
    E36 0 0 1 0 1
    E37 0 0 1 1 0
    E38 0 0 1 0 1
  • 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. Tableau : T5
    N° étape T R1 R2 R3 R4
    Melange R3 0 0 0 1 0
    0 0 1 0 0
    0 0 0 1 0
    0 0 1 0 0
    0 0 0 1 0
    0 0 1 0 0
    0 0 0 1 0
    Etc...
  • Finalement, le procédé d'analyse comporte une dernière étape E4 (Fig. 6A) de mesure du liquide dans au moins une chambre de détection. En effet, le résultat du protocole d'analyse peut s'effectuer par exemple par une mesure de fluorescence ou par colorimétrie suivant le protocole utilisé. Généralement cette opération s'effectue à la fin du protocole donc dans la dernière chambre microfluidique 5.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • En effet, les Figs. 8A et 8B illustrent de manière schématique les états d'une chambre microfluidique selon le mode de réalisation de la Fig. 7.
  • Plus particulièrement, la Fig. 8A illustre une vue d'une chambre microfluidique dans un état fermé où la partie correspondante de la membrane déformable 15 est mise dans une forme relâchée en maintenant par exemple une pression atmosphérique via le trou d'actionnement 27 formé dans le deuxième substrat 13. En effet, selon cet état, la partie de la membrane 15 correspondante à la chambre 5 est plaquée sur la partie correspondante de la première surface microfluidique 111 (i.e. sur la plaque supérieure) de sorte que le volume entre la membrane 15 et cette première surface 111 est quasiment nul bloquant ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt au travers de la chambre.
  • La Fig. 8B illustre une vue d'une chambre microfluidique 5 dans un état ouvert où la partie correspondante de la membrane est mise dans une forme déformée. La déformation de la membrane 15 au niveau de la chambre 5 peut être réalisée en exerçant une pression négative via le trou d'actionnement 27 formé dans le deuxième substrat 13. Ainsi, la partie de la membrane 15 correspondante à la chambre 5 est aspirée pour être plaquée sur la partie correspondante de la deuxième surface microfluidique 131 (i.e., la plaque inférieure) tout en épousant la forme de la cavité 51 correspondante de sorte que la membrane 15 déformée et la partie correspondante de la première surface microfluidique 111 délimitent un réservoir de volume prédéterminé égal à celui de la cavité 51 autorisant ainsi l'écoulement du fluide d'intérêt dans ce réservoir.
  • Les Figs. 9A, 9B et 9C illustrent de manière très schématique différentes configurations d'un dispositif microfluidique, selon d'autres modes de réalisation de l'invention.
  • 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.
  • La Fig. 9A montre que les branches 37 sont disposées en peigne tandis que la Fig. 9B montre que les branches 37 sont disposées en étoile à partir de l'orifice d'entrée 7.
  • La Fig. 9C montre un exemple de réseau plus complexe comportant des intersections ou croisements entre plusieurs chemins fluidiques. Chaque intersection permet d'effectuer une opération de mélange entre différents liquides, ou pour transporter différents échantillons ou réactifs sur une partie du réseau microfluidique. Notons que la taille des chambres des différents chemins peut être différente. A titre d'exemple, les flèches sur la figure 9C indiquent les sens possibles de déplacement des volumes fluidiques.

Claims (14)

  1. Dispositif microfluidique de contrôle d'écoulement d'au moins un fluide d'intérêt, caractérisé en ce qu'il comporte :
    - 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 (5), ladite membrane déformable étant 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 un premier état fermé bloquant l'écoulement du fluide d'intérêt et un second état ouvert allouant un volume calibré à ladite chambre, les volumes des chambres microfluidiques (5) à l'état ouvert étant identiques, 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, 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).
  2. Dispositif microfluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une des chambres microfluidiques contient un réactif (31) embarqué adapté pour réagir avec le fluide d'intérêt.
  3. Dispositif microfluidique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le volume d'un canal microfluidique de communication (25) est d'environ dix fois plus petit que le volume d'une cavité.
  4. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau microfluidique comporte un orifice d'entrée (7) formé dans le premier substrat (11) et relié à une entrée de ladite au moins une suite de canaux microfluidiques de communication (25), ledit orifice étant adapté pour recevoir le fluide d'intérêt.
  5. Dispositif microfluidique, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier substrat, la membrane (15) et le deuxième substrat (13) sont assemblés de manière à assurer un contact étanche entre la membrane et les première et deuxième surfaces microfluidiques (111, 131) des premier et deuxième substrats (11, 13) tout en aménageant un espace d'écoulement au niveau des cavités et des canaux microfluidiques de communication.
  6. Dispositif microfluidique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'assemblage est réalisé par collage, par plasma, ou par un plaquage mécanique.
  7. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un mécanisme d'actionnement (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.
  8. Dispositif microfluidique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le mécanisme d'actionnement (21) est un mécanisme pneumatique adapté pour déformer la membrane (15) en exerçant une pression via des trous d'actionnement (27) formés dans le deuxième substrat (13) et débouchant aux niveaux des chambres microfluidiques (5), le changement d'état d'une chambre microfluidique quelconque étant réalisé par une modification de la valeur de pression exercée sur la membrane via le trou d'actionnement correspondant à ladite chambre microfluidique.
  9. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que 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 (111), une chambre microfluidique (5) étant dans un état ouvert lorsque la membrane déformable (15) est plaquée sur la deuxième surface microfluidique (131) 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 (111) 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.
  10. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que 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 (5) étant dans un état ouvert lorsque la membrane (15) est plaquée sur la deuxième surface microfluidique (131) tout en épousant la forme de la cavité correspondante de sorte que la membrane et la première surface microfluidique (111) 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 (15) est plaquée sur la première surface microfluidique (111) 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.
  11. Dispositif microfluidique, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que :
    - les cavités (51) 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,
    - chaque canal de ladite au moins une suite de canaux microfluidiques de communication (25) a une longueur entre environ 1 mm et 5 mm et une section entre environ 50 µm et 500 µm de côté, et
    - chacun desdits premier et deuxième substrats (11, 13) présente une épaisseur entre environ 200 µm et 4 mm et une surface de l'ordre de plusieurs centimètres carrés.
  12. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau microfluidique comporte un ensemble de branches microfluidiques (37) connectées à un même orifice d'entrée (7) et comprenant chacune une suite de canaux microfluidiques de communication (25) reliant de manière séquentielle une suite correspondante de chambres microfluidiques (5), les branches étant disposées en peigne ou en étoile à partir dudit orifice d'entrée .
  13. Procédé d'analyse mis en oeuvre au moyen d'un dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 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 selon une séquence d'opérations prédéterminée adaptée pour contrôler le passage du liquide entre les différentes chambres.
  14. Procédé d'analyse selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de brassage en faisant basculer le liquide entre deux chambres microfluidiques un nombre déterminé de fois.
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