EP3162441A1 - Dispositif microfluidique couplant deux zones d'écoulement - Google Patents

Dispositif microfluidique couplant deux zones d'écoulement Download PDF

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EP3162441A1
EP3162441A1 EP16196304.6A EP16196304A EP3162441A1 EP 3162441 A1 EP3162441 A1 EP 3162441A1 EP 16196304 A EP16196304 A EP 16196304A EP 3162441 A1 EP3162441 A1 EP 3162441A1
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EP
European Patent Office
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microfluidic
upstream
chamber
circuit
liquid
Prior art date
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Pending
Application number
EP16196304.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Anne-Gaëlle BOURDAT
Remco Den Dulk
Mélanie FLAENDER
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • 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
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502723—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by venting arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0684—Venting, avoiding backpressure, avoid gas bubbles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/087—Multiple sequential chambers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
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    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0874—Three dimensional network
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0406—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces capillary forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0487—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics
    • B01L2400/049—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics vacuum

Definitions

  • the present invention relates to microfluidic devices and, more particularly, to a microfluidic device for coupling a first flow zone to a second flow zone.
  • the invention has applications in many fields, such as among others the fields of medical research, chemistry, biology and pharmaceuticals.
  • handling a liquid for example, when filling a microfluidic chamber to perform chemical or biological analyzes may inadvertently or uncontrollably introduce air bubbles into the chamber that can affect performance and the results of the analysis. It is therefore important to eliminate or prevent the formation of unwanted bubbles.
  • Another technique consists in controlling the filling front of a chamber by a rather complex modification of the structure of the chamber accommodating the liquid.
  • microfluidic device connects two flow zones under pressure and is not adapted to transfer a liquid from a first microfluidic circuit having a first mode of displacement to a second microfluidic circuit having a second mode of displacement.
  • This type of device is not suitable for certain microfluidic applications that require linking two microfluidic flow zones of different natures.
  • the object of the present invention is therefore to overcome the aforementioned drawbacks by providing a microfluidic device for making an effective link between two microfluidic flow zones that can be of different natures while eliminating air bubbles.
  • the microfluidic device makes it easy and effective to transfer a liquid from a first flow zone to a second spontaneous capillary flow zone of different nature than that of the first flow zone while preventing the injection of air bubbles into the second zone.
  • the device then makes it possible to couple two microfluidic circuits having two different functions and having flow modes that are a priori incompatible.
  • the microfluidic adapter makes it possible to fill the capillary circuit with the total volume of the injected liquid while minimizing waste (ie, without the need to prepare a surplus of a liquid that will not be used in the capillary circuit).
  • the upstream microfluidic circuit is a pressurized flow circuit.
  • the microfluidic device allows the transfer of the liquid from an area in which the liquid moves under pressure to another area in which the liquid moves by capillary action avoiding the blockage of the capillary flow. to the second zone while filtering or eliminating air bubbles.
  • said microfluidic chamber is configured to be connected to the upstream and downstream microfluidic circuits in a predetermined orientation with the ends of the upstream and downstream microfluidic circuits at a level lower than that of the vent, the notions of lower and upper being related. in the field of gravity.
  • the gravitational field facilitates the drainage of the liquid by the exit of the microfluidic chamber while the buoyancy impeded the bubbles to approach this exit by raising them to the surface of the liquid where they burst, giving off air escaping through the vent.
  • the admission channel opens into the microfluidic chamber at a level greater than or equal to that of the evacuation channel.
  • the evacuation channel comprises hydrophilic walls.
  • the hydrophilic wall (s) of the evacuation channel efficiently (e) produce a spontaneous capillary action which facilitates the flow of the liquid to the downstream circuit.
  • the liquid is selected from the following liquids: water, aqueous buffers, body fluids (blood, plasma, serum, urine) and ethanol liquids.
  • the contact angle of said liquid on at least one wall of the discharge channel is less than 60 ° and preferably less than 30 °.
  • the vent comprises an exhaust channel adapted to evacuate the air.
  • the device comprises at least one valve installed in at least one of the intake, exhaust, and exhaust channels.
  • the volume of the microfluidic chamber is greater than the total volume of liquid admitted into said microfluidic chamber.
  • the vent has a diameter of about 300 .mu.m to 1 mm; the exhaust channel has a section of about 300 ⁇ m x 300 ⁇ m to 1mm x 1mm; the microfluidic intake channel has a section of approximately 500 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m; the microfluidic evacuation channel has a section of approximately 300 .mu.m and 300 .mu.m and the volume of the microfluidic chamber is approximately 20 .mu.l to 30 .mu.l.
  • the predetermined volume of the microfluidic chamber is greater than a critical volume defined as a function of a total volume of the liquid injected into the microfluidic chamber and / or flow rates of entry and exit of the liquid.
  • the microfluidic chamber has an internal volume having a concave configuration.
  • the microfluidic adapter comprises a plurality of vents, and / or a plurality of microfluidic outputs, and / or a plurality of microfluidic inputs.
  • the microfluidic chamber has hydrophilic inner walls with a divergent section on the microfluidic admission side and a convergent section on the microfluidic evacuation side.
  • the diverging section increases the volume of the microfluidic chamber while the converging section reduces the section to better drain the liquid to the outlet. It should be noted that the realization of the hydrophilic inner walls on all the internal surfaces of the chamber is simpler in practice than an embodiment on only a part of the internal surfaces.
  • the upstream and downstream microfluidic circuits, the microfluidic chamber, and the inlet and outlet channels are formed in one piece.
  • the downstream microfluidic circuit comprises channels supplying a network of reaction cells.
  • the concept underlying the invention consists in adapting the flow of a liquid between two upstream and downstream zones having different flow modes while preventing air bubbles from entering the downstream zone.
  • the Fig. 1 illustrates very schematically a microfluidic device between two flow zones, according to one embodiment of the invention.
  • the microfluidic device 1 comprises a microfluidic chamber 3, a first upstream microfluidic circuit 11 and a second downstream microfluidic circuit 13.
  • the microfluidic chamber 3 includes a microfluidic inlet 5 and a microfluidic outlet 7.
  • the microfluidic inlet 5 is configured to be connected to the upstream microfluidic circuit 11 via an inlet channel 51 (or microfluidic inlet channel).
  • the microfluidic output 7 is configured to be connected to the downstream microfluidic circuit 11 via an evacuation channel 71 (or microfluidic output channel).
  • evacuation channel 71 or microfluidic output channel.
  • the sections of the microfluidic inlet 51 and evacuation channels 71 are rectangular.
  • the microfluidic chamber 3 thus extends between the inlet channel 51, forming an end of the upstream microfluidic circuit 11 and the evacuation channel 71, forming an end of the downstream microfluidic circuit 13.
  • the microfluidic chamber 3 has a volume adapted to forming a retention of a liquid flowing between the upstream microfluidic circuit 11 and the downstream microfluidic circuit 13.
  • the microfluidic chamber 3 has a predetermined volume and is delimited by a side wall 31 and by first and second walls 33, 35 at two ends of the chamber 3.
  • the first wall 33 with a connected portion of the side wall 31 form a first portion 37 of the microfluidic chamber 3 defining a reserve portion for containing the liquid.
  • the second wall 35 with the other portion of the side wall 31 form a second portion 39 of the microfluidic chamber 3 defining an air exhaust portion.
  • the microfluidic chamber 3 comprises a vent 9 disposed in the second portion 39 of the microfluidic chamber 3.
  • the vent 9 is configured to evacuate the air that is in the microfluidic chamber 3 before filling or the air escaping from the air bubbles contained in the liquid flowing in the microfluidic chamber 3 from the upstream microfluidic circuit 11.
  • air is also meant the case where the liquid intermittently arrives intermittently possibly intersected by air inlets. For example, a first volume of 5 ⁇ L of liquid is admitted into the microfluidic chamber 3 followed by the arrival of 10 ⁇ L of air and then followed by the admission of a second volume of 8 ⁇ L of liquid, etc.
  • the vent 9 is disposed at the top of the microfluidic chamber 3 (ie at the level of the second wall 35) and comprises an exhaust channel 91 adapted to evacuate the air.
  • the first portion 37 of the microfluidic chamber 3 occupies almost the entire predetermined volume of the chamber 3 and the second portion 39 of the chamber 3 is substantially limited to the second wall 35 of this chamber 3.
  • the microfluidic chamber is connected to the upstream microfluidic circuits 11 and downstream 13 in a predetermined orientation with the ends of the microfluidic circuits upstream 11 and downstream 13 to a level lower than that of the vent 9.
  • the notions of lower (or lower) ) and higher (or high) are related to the field of gravity.
  • the first wall 33 and lower than the second wall 35 and the direction of the Z axis is oriented in the opposite direction of gravity.
  • the discharge channel 71 has a section, in a plane perpendicular to the direction of flow of the liquid, sized to allow evacuation of the liquid from the microfluidic chamber 3 through the evacuation channel 71 by spontaneous capillary flow. .
  • the evacuation channel 71 comprises one or more hydrophilic walls.
  • the hydrophilic wall (s) of the exhaust channel 71 is (are) configured so that the contact angle of the liquid on at least one wall of the exhaust channel 71 is less than 60 ° and preferably less than 30 °.
  • the spontaneous capillary flow in the downstream microfluidic circuit 13 is advantageously enhanced.
  • the upstream microfluidic circuit 11 may be a pressurized flow circuit.
  • the microfluidic device 3 adapts the flow of a liquid from an upstream microfluidic circuit 11 under pressure to a downstream microfluidic circuit 13 with spontaneous capillary flow while preventing air bubbles from entering this downstream circuit 13.
  • the displacement of the liquid can be done in three modes operated by three different forces.
  • the forces can be applied independently or in combination.
  • a first force is a pressure force exerted for example via a pump which pushes the liquid coming from the first circuit 11 into the microfluidic chamber 3.
  • a second force is a so-called capillarity force which depends inter alia on the dimensioning of the section of the channel This second force makes it possible to move the liquid by capillary drainage from the microfluidic chamber 3 to the downstream circuit 13.
  • a third force is the force of gravity. The latter can act in combination with the capillary force to move the liquid to the downstream circuit 13. Note that according to the embodiments of the present invention, the capillary force is much greater than the force of gravity.
  • the liquid coming from the upstream microfluidic circuit 11 is admitted via the admission channel 51 into the first part 37 of the microfluidic chamber 3 by the action of the pressure.
  • the capillary force and / or the gravitational force allows the liquid to be drained through the evacuation channel 71 to the downstream microfluidic circuit 13.
  • buoyancy prevents the bubbles from approaching the outlet 7 by causing them to rise to the surface of the liquid where they burst, giving off air which then escapes through the vent 9.
  • separation of the bubbles is done in addition to the Archimedes thrust by the action of the capillary force because the latter acts exclusively on the liquid and has no action on the air bubbles.
  • the filling of the chamber 3 is done by pressure
  • the separation of the air bubbles is done by the combination of the action of an Archimedes surge on the bubbles and of the capillary action on the liquid
  • the drainage of the liquid to the downstream microfluidic circuit 13 is done by the combination of capillary force and gravity.
  • the weight of each of the forces may depend on the volume of the liquid (ie its mass), the geometry of the microfluidic chamber 3, the section of the microfluidic channels and the materials of the device.
  • the microfluidic chamber 3 is represented in a cylindrical shape but may have any other shape (see the examples of FIG. Fig. 3 ).
  • microfluidic chamber 3 may comprise a plurality of vents 9, and / or a plurality of microfluidic outputs 7, and / or a plurality of microfluidic inputs 5.
  • the microfluidic output 7 is disposed at the bottom of the microfluidic chamber 3 (i.e. at the first wall 33).
  • the microfluidic inlet 5 opens into the microfluidic chamber 3 at a level greater than or equal to that of the microfluidic outlet 7.
  • the admission channel 51 opens into the microfluidic chamber 3 at a level greater than or equal to that of the evacuation channel 71 thus creating a step promoting the movement of the liquid by gravity towards the evacuation channel 71.
  • the Fig. 2 schematically illustrates a microfluidic device connecting two flow circuits, according to another embodiment of the invention.
  • the microfluidic device 1 of the Fig. 2 is identical to that of the Fig. 1 except that each of the intake 51 and exhaust 91 channels has a valve.
  • the inlet microfluidic channel 51 comprises an inlet valve 53 adapted to stop or modify the flow rate of the liquid admitted into the microfluidic chamber 3 from the upstream microfluidic circuit 11.
  • the exhaust channel 91 comprises a valve exhaust 93 adapted to stop or control the evacuation of air to the atmosphere.
  • the microfluidic evacuation channel 71 may also comprise an outlet valve (not shown) adapted to stop or modify the flow rate of the liquid transported from the microfluidic chamber 3 to the downstream microfluidic circuit 13.
  • the microfluidic device may comprise a single valve installed in any of the intake 51, exhaust 91 and exhaust 71 channels.
  • Fig. 3 schematically illustrates different forms of microfluidic chambers, according to different embodiments of the invention.
  • Fig. 3 represents bottom views showing the first walls 133-1133 of the various microfluidic chambers 103-1103 in a plane (X, Y).
  • the discharge channels 71 and admission 51 are not necessarily arranged in the same plane.
  • the outlet channel 71 is advantageously arranged lower (in the Z direction) than the inlet channel 51.
  • the first example shows a microfluidic chamber 103 having a triangular section (in a plane (X, Y)) on the side of the evacuation channel 71 and a circular section on the inlet channel 51 side. evacuation 71 emerges at a vertex of the triangular section while the inlet channel 51 opens at the circular section.
  • the second example shows a microfluidic chamber 203 having a triangular section.
  • the evacuation channel 71 emerges from a vertex of the triangular section and the inlet channel 51 opens out in the middle of the side opposite this vertex.
  • the third example shows a microfluidic chamber 303 having a circular section thus forming a cylindrical chamber such as that shown in the drawings. Figs. 1 and 2 .
  • the fourth example shows a microfluidic chamber 403 having a pointed oval section on one side of the major axis of the oval and rounded on the opposite side.
  • the exhaust channel 71 appears at the sharp side and the inlet channel 51 terminates at the rounded side.
  • the other examples show microfluidic chambers 533-1133 having other configurations or geometric shapes.
  • each of the microfluidic chambers 133, 233, 433 and 831 has a convergent shape in the vicinity of the evacuation channel 71 and diverging in the vicinity of the inlet channel 51.
  • the divergent part makes it possible to increase the volume of the microfluidic chamber while the convergent part makes it possible to better drain the liquid towards the outlet.
  • each microfluidic chambers 133, 233, 433 are covered with a hydrophilic layer while the inner walls of the diverging portion are covered with a hydrophobic layer.
  • the entire inner surface of each of the microfluidic chambers is hydrophilic.
  • the majority of the microfluidic chambers do not have sharp angles, which favors a good drainage of the liquid towards the outlet 7. Indeed, sharp angles at the outlet 7 can prevent good capillary drainage to the outlet. Likewise, sharp angles within a hydrophilic microfluidic chamber 3 can retain the liquid by capillary forces thus preventing the proper drainage of the liquid towards the outlet 7.
  • the Fig. 4A schematically illustrates a microfluidic device comprising a microfluidic chamber 3 connected to an upstream circuit adapted for a flow by pressure and to a downstream circuit adapted for a capillary flow in a plane (X, Y), according to a preferred embodiment of the invention. 'invention.
  • the upstream circuit 11 may comprise filters which may require a flow of the pressurized liquid by means of pumps 12.
  • the downstream circuit corresponds, for example, to a network of microfluidic cells 14 comprising reagents for carrying out chemical reactions or where a capillary filling has certain advantages. In fact, the filling by capillarity promotes a complete filling of all the cells of the network, which is difficult to achieve in flow under pressure.
  • the predetermined volume of the microfluidic chamber 3 is chosen to be greater than a critical volume defined as a function of the total volume of the liquid to be injected into the chamber. chamber 3 and / or flow rates of entry and exit of the liquid.
  • This critical volume makes it possible to ensure that the filling of the microfluidic chamber 3 by a flow under pressure is not faster than its emptying by a capillary flow. This is ensured either when the volume of the microfluidic chamber 3 is greater than or equal to the total volume of the liquid injected into the chamber 3 or when the inlet flow rate of the liquid is less than or equal to the output flow rate.
  • the critical volume can also be defined by a clever combination of these two constraints.
  • the microfluidic chamber 3 may have a predetermined volume between 20 .mu.l and 30 .mu.l.
  • the volume of the microfluidic chamber 3 may be of the order of 25 .mu.l with an output rate of the order of 120 .mu.l / min.
  • the area of the first wall may be of the order of 7 mm and the height of the microfluidic chamber 3 may be of the order of 3.5 mm.
  • microfluidic evacuation channel 71 is advantageously arranged at the lower end of the microfluidic chamber 3 and preferably on the first wall.
  • the inlet microfluidic channel 51 is also arranged at the lower end of the microfluidic chamber 3, but it can of course be arranged on the side wall of this chamber 3.
  • the microfluidic inlet channel 51 is adapted for pressurized flow and the microfluidic exhaust channel 71 is adapted for spontaneous capillary flow.
  • the microfluidic evacuation channel 71 has a smaller section than that of the inlet microfluidic channel 51.
  • the microfluidic channel discharge 71 has a section of about 300 ⁇ m x 300 ⁇ m and the inlet microfluidic channel 51 has a section of about 500 ⁇ m x 300 ⁇ m. This allows the microfluidic intake channel 51 to be more suitable for pressurized flow and allows the microfluidic evacuation channel 71 to be more suitable for capillary flow.
  • the microfluidic drainage channel 71 is advantageously made with hydrophilic walls for generating small contact angles of less than 60 °.
  • the Fig. 4B shows a microfluidic evacuation channel 71 having an upper wall 73 and side walls 74, 75 covered with a hydrophilic layer having a contact angle of the order of 10 °.
  • the hydrophilic layer may be a glass or silica layer, a silane layer with a hydrophilic end (of the "-COOH” type), or a "-OH" group layer formed on the surface of the polymer by a plasma treatment.
  • the bottom wall 76 may consist of a thin, untreated adhesive paper having a contact angle of the order of 60 ° (ie, less hydrophilic than the other three walls).
  • the vent 9 has an opening of greater width than the size of the air bubbles in order to prevent the latter from obstructing the vent 9 and thus to prevent the rise of an overpressure which may eventually cause bubbles
  • the vent may have a diameter of approximately 300 ⁇ m to 1 mm.
  • the microfluidic chamber 3 can even be completely open on its upper part (ie, not having a second wall) and in this case, the diameter of the vent is the same as that of the microfluidic chamber 3.
  • the vent 9 may advantageously comprise an edge adapted to prevent the liquid or the air bubbles from blocking the opening of the vent 9.
  • the exhaust channel 91 is advantageously disposed at the upper end of the microfluidic chamber 3 and more precisely on the ceiling (ie the second wall) of this chamber 3.
  • the exhaust channel 91 can present a section of about 300 ⁇ m x 300 ⁇ m to 1mm x 1mm.
  • microfluidic evacuation channel 71 When a liquid (inadvertently or uncontrollably containing air bubbles) enters via the microfluidic inlet channel 51 into the microfluidic chamber 3, the air bubbles due to their low density, rise to the surface . The excess air escaping from the bursting of the air bubbles on the surface is discharged through the vent 9 thus preventing the formation of an overpressure which would otherwise have pushed the air bubbles with the liquid into the air. microfluidic evacuation channel 71.
  • the capillary action of the microfluidic evacuation channel 7 transports the liquid towards the upstream circuit 13.
  • the air bubbles do not enter the microfluidic evacuation channel. 71 because they remain on the surface of the liquid in the microfluidic chamber 3 and moreover, the capillary action does not act on them.
  • the Fig. 5 schematically illustrates a microfluidic device, according to a preferred embodiment of the invention.
  • the microfluidic device 111 comprises an upstream microfluidic circuit 11, a downstream microfluidic circuit 13 and a microfluidic chamber 3.
  • the upstream circuit 11 is adapted for a flow under pressure while the downstream circuit 13 is adapted for a spontaneous capillary flow.
  • the upstream microfluidic circuit 11, the downstream microfluidic circuit 13, the microfluidic chamber 3, the microfluidic inlet 51 and exhaust 71 channels and the exhaust channel 91 are formed in one piece.
  • microfluidic device 111 is formed integrally or in one piece eliminates the technological constraints related to connection problems. Indeed, no connection is required between the microfluidic chamber 3 comprising the microfluidic intake channels 51 and exhaust 71, and secondly each of the upstream circuits 11 and downstream 13.
  • a microfluidic device 111 formed in one piece optimizes the transfer quality of the liquid from the upstream circuit 11 to the downstream circuit 13 without the introduction of air bubbles in this circuit 13.
  • the microfluidic device 111 may for example consist of a first substrate 112 disposed below a second substrate 114 and enclosing the circuits Upstream microfluidic 11 and downstream 13, the microfluidic intake 51 and discharge 71 channels as well as the microfluidic chamber 3.
  • the inlet 51 and discharge 71 channels and the cavity of the microfluidic chamber 3 can be formed in the first substrate 112 while the vent 9 and the exhaust channel 91 can be formed in the second substrate 114.
  • the microfluidic networks of the upstream circuits 11 and downstream 13 can be formed on one or the other first and second substrates 112, 114.
  • the same substrates 112, 114 are used to form in one piece the upstream microfluidic circuits 11 and downstream 13 the inlet microfluidic channels 51 and discharge 71 as well as the microfluidic chamber 3.
  • the material of the first substrate 112 and / or the second substrate 114 may be selected from a wide range of materials such as, for example, polycarbonate polymer, PMMA, COC, silicon, paper, etc.
  • first substrate 112 and the second substrate 114 are assembled so as to ensure a sealed contact while providing a flow space at the cavities and different microfluidic channels.
  • the assembly can be carried out by gluing, by plasma, by thermal sealing or by mechanical plating.

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Abstract

L'invention porte sur un dispositif microfluidique comportant un premier circuit microfluidique dit amont (11) et un deuxième circuit microfluidique dit aval (13), les circuits microfluidiques amont et aval (11, 13) étant raccordés à une chambre microfluidique (3) s'étendant entre un canal d'admission (51), formant une extrémité du circuit microfluidique amont (11) et un canal d'évacuation (71), formant une extrémité du circuit microfluidique aval (13), et en ce que : - la chambre microfluidique (3) présente un volume adapté à former une rétention d'un liquide s'écoulant entre le circuit microfluidique amont (11) et le circuit microfluidique aval (13), - le canal d'évacuation présente une section, dans un plan perpendiculaire à la direction d'écoulement du liquide, dimensionnée pour permettre une évacuation du liquide de la chambre microfluidique (3) à travers ledit canal d'évacuation par écoulement capillaire spontané, et - la chambre microfluidique (3) comporte un évent (9) configuré pour évacuer l'air contenu dans le liquide s'écoulant dans ladite chambre microfluidique (3) depuis le circuit microfluidique amont (11).

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention concerne les dispositifs microfluidiques et, plus particulièrement, un dispositif microfluidique pour coupler une première zone d'écoulement à une deuxième zone d'écoulement.
  • L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines, comme entres autres les domaines de la recherche médicale, de la chimie, de la biologie et de la pharmaceutique.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
  • Dans de nombreux domaines, on cherche à manipuler et contrôler l'écoulement d'un liquide pour analyser des échantillons de petit volume dans un dispositif microfluidique. Ce peut être le cas, par exemple, pour établir des interactions biologiques et/ou chimiques entre deux solutions pour une analyse chimique, un diagnostic biologique ou médical, ou encore dans le domaine du génie génétique ou agro-alimentaire.
  • Toutefois, la manipulation d'un liquide par exemple, lors d'un remplissage d'une chambre microfluidique afin de réaliser des analyses chimiques ou biologiques peut par inadvertance ou de manière incontrôlée introduire des bulles d'air dans la chambre qui peuvent affecter la performance et les résultats de l'analyse. Il est ainsi important d'éliminer ou d'empêcher la formation des bulles indésirables.
  • Il existe plusieurs travaux mentionnant des techniques d'élimination de bulles d'air. Par exemple, l'article de Chang et Jiang intitulé « A debubbler for microfluidics utilizing air-liquid interfaces », Applied Physics Letters, (vol. 95, n0. 21, p.214103, Nov. 2009) décrit un dispositif formant des piliers d'air entre un support et un capot comprenant des trous. Les piliers d'air permettent l'éclatement des bulles et l'échappement de l'air par les trous sur le capot. Une autre technique consiste à éliminer les bulles à postériori en utilisant un matériau poreux. Toutefois, ces deux techniques sont propices à l'évaporation du liquide.
  • Une autre technique consiste à contrôler le front de remplissage d'une chambre par une modification assez complexe de la structure de la chambre accueillant le liquide.
  • Les documents FR2978437 et US2015/251181 décrivent des techniques d'élimination de bulles d'air dans un dispositif microfluidique. Toutefois, le dispositif microfluidique relie deux zones d'écoulement sous pression et n'est pas adapté pour transférer un liquide depuis un premier circuit microfluidique présentant un premier mode de déplacement vers un deuxième circuit microfluidique présentant un deuxième mode de déplacement. Ce genre de dispositifs n'est pas adapté pour certaines applications microfluidiques qui nécessitent de relier deux zones d'écoulement microfluidiques de natures différentes.
  • L'objet de la présente invention est par conséquent de remédier aux inconvénients précités en proposant un dispositif microfluidique permettant de faire un lien efficace entre deux zones d'écoulement microfluidiques pouvant être de natures différentes tout en éliminant les bulles d'air.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • L'invention a pour objet un dispositif microfluidique comportant un premier circuit microfluidique dit amont et un deuxième circuit microfluidique dit aval, les circuits microfluidiques amont et aval étant raccordés à une chambre microfluidique s'étendant entre un canal d'admission, formant une extrémité du circuit microfluidique amont et un canal d'évacuation, formant une extrémité du circuit microfluidique aval, et en ce que :
    • la chambre microfluidique présente un volume adapté à former une rétention d'un liquide s'écoulant entre le circuit microfluidique amont et le circuit microfluidique aval,
    • le canal d'évacuation présente une section, dans un plan perpendiculaire à la direction d'écoulement du liquide, dimensionnée pour permettre une évacuation du liquide de la chambre microfluidique à travers ledit canal d'évacuation par écoulement capillaire spontané, et
    • la chambre microfluidique comporte un évent configuré pour évacuer l'air contenu dans le liquide s'écoulant dans ladite chambre microfluidique depuis le circuit microfluidique amont.
  • Ainsi, le dispositif microfluidique permet de facilement et efficacement transférer un liquide depuis une première zone d'écoulement vers une deuxième zone d'écoulement capillaire spontané de différente nature que celle de la première zone d'écoulement tout en empêchant l'injection de bulles d'air dans la deuxième zone. Le dispositif permet alors de coupler deux circuits microfluidiques ayant deux fonctions différentes et présentant des modes d'écoulements a priori incompatibles. De plus, l'adaptateur microfluidique permet de remplir le circuit capillaire avec le volume total du liquide injecté en minimisant le gaspillage (i.e., sans la nécessité de préparer un surplus d'un liquide qui ne sera pas utilisé dans le circuit capillaire).
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit microfluidique amont est un circuit d'écoulement sous pression.
  • Ainsi, en éliminant les bulles d'air, le dispositif microfluidique permet le transfert du liquide depuis une zone dans laquelle le liquide se déplace sous pression vers une autre zone dans laquelle le liquide se déplace par capillarité en évitant le blocage de l'écoulement capillaire vers la deuxième zone tout en filtrant ou éliminant les bulles d'air.
  • Avantageusement, ladite chambre microfluidique est configurée pour être relié aux circuits microfluidiques amont et aval selon une orientation prédéterminée disposant les extrémités des circuits microfluidiques amont et aval à un niveau inférieur à celui de l'évent, les notions d'inférieur et de supérieur étant liées au champ de la pesanteur.
  • Ainsi, le champ gravitationnel facilite le drainage du liquide par la sortie de la chambre microfluidique tandis que la poussée d'Archimède empêche les bulles de s'approcher de cette sortie en les faisant monter à la surface du liquide où elles éclatent en dégageant de l'air qui s'échappe par l'évent.
  • Avantageusement, le canal d'admission débouche dans la chambre microfluidique à un niveau supérieur ou égal à celui du canal d'évacuation.
  • Ceci permet de créer une marche tendant à drainer le liquide vers le circuit amont pendant que les bulles d'airs montent à la surface.
  • Avantageusement, le canal d'évacuation comporte des parois hydrophiles. La ou les parois hydrophile(s) du canal d'évacuation engendre(nt) de manière efficace une action capillaire spontanée qui facilite l'écoulement du liquide vers le circuit aval.
  • Avantageusement, le liquide est sélectionné parmi les liquides suivants : de l'eau, des tampons aqueux, des liquides corporels (sang, plasma, sérum, urine) et des liquides de type éthanol. En outre, l'angle de contact dudit liquide sur au moins une paroi du canal d'évacuation est inférieur à 60° et de préférence inférieur à 30°.
  • Avantageusement, l'évent comporte un canal d'échappement adapté pour faire évacuer l'air.
  • Avantageusement, le dispositif comporte au moins une vanne installée dans au moins l'un des canaux d'admission, d'évacuation, et d'échappement.
  • Ceci permet d'arrêter ou de modifier le débit du liquide admis dans la chambre microfluidique depuis le circuit microfluidique amont, et/ou d'arrêter ou modifier le débit du liquide transporté depuis la chambre microfluidique vers le circuit microfluidique aval, et/ou d'arrêter ou contrôler l'évacuation de l'air vers l'atmosphère.
  • Avantageusement, le volume de la chambre microfluidique est supérieur au volume total du liquide admis dans ladite chambre microfluidique.
  • Avantageusement, l'évent présente un diamètre d'environ 300µm à 1mm ; le canal d'échappement présente une section d'environ 300µm x 300µm à 1mm x 1mm ; le canal microfluidique d'admission présente une section d'environ 500µm x 300µm ; le canal microfluidique d'évacuation présente une section d'environ 300µm x 300µm et le volume de la chambre microfluidique est d'environ 20 µl à 30 µl.
  • Avantageusement, le volume prédéterminé de la chambre microfluidique est supérieur à un volume critique défini en fonction d'un volume total du liquide injecté dans la chambre microfluidique et/ou des débits d'entrée et de sortie du liquide.
  • Ceci permet de s'assurer que le remplissage de la chambre microfluidique ne soit pas plus rapide que la vidange.
  • Avantageusement, la chambre microfluidique présente un volume interne ayant une configuration concave.
  • Avantageusement, l'adaptateur microfluidique comporte une pluralité d'évents, et/ou une pluralité de sorties microfluidiques, et/ou une pluralité d'entrées microfluidiques.
  • Avantageusement, la chambre microfluidique présente des parois internes hydrophiles avec une section divergente du côté de l'admission microfluidique et une section convergente du côté de l'évacuation microfluidique.
  • Ainsi, la section divergente augmente le volume de la chambre microfluidique tandis que la section convergente réduit la section pour mieux drainer le liquide vers la sortie. On notera que la réalisation des parois internes hydrophiles sur toutes les surfaces internes de la chambre est plus simple en pratique qu'une réalisation sur seulement une partie des surfaces internes.
  • Avantageusement, les circuits microfluidiques amont et aval, la chambre microfluidique, et les canaux d'admission et d'évacuation sont formés en un seul tenant.
  • Avantageusement, le circuit microfluidique aval comporte des canaux alimentant un réseau de cellules réactionnelles.
  • L'invention vise également un procédé d'écoulement microfluidique entre un premier circuit microfluidique dit amont et un deuxième circuit microfluidique dit aval, les circuits microfluidiques amont et aval étant raccordés à une chambre microfluidique s'étendant entre un canal d'admission, formant une extrémité du circuit microfluidique amont et un canal d'évacuation, formant une extrémité du circuit microfluidique aval, le procédé comportant les étapes suivantes :
    • configurer la chambre microfluidique de manière en ce que son volume soit adapté à former une rétention d'un liquide s'écoulant entre le circuit microfluidique amont et le circuit microfluidique aval,
    • dimensionner le canal d'évacuation selon une section, dans un plan perpendiculaire à la direction d'écoulement du liquide, pour permettre une évacuation du liquide de la chambre microfluidique à travers ledit canal d'évacuation par écoulement capillaire spontané, et
    • aménager un évent dans la chambre microfluidique pour évacuer l'air s'échappant de bulles d'air contenues dans le liquide s'écoulant dans ladite chambre microfluidique depuis le circuit microfluidique amont.
    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 entre deux zones d'écoulement, selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • La Fig. 2 illustre de manière schématique un dispositif microfluidique reliant deux circuits d'écoulement, selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
    • La Fig. 3 illustre de manière schématique, différentes formes de chambres microfluidiques, selon différents modes de réalisation de l'invention ;
    • Les Figs. 4A et 4B illustrent de manière schématique un dispositif microfluidique comportant un circuit amont adapté pour un écoulement par pression à un circuit aval adapté pour un écoulement capillaire, selon un mode préféré de réalisation de l'invention ; et
    • La Fig. 5 illustre de manière schématique un dispositif microfluidique, selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention.
    EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PRÉFÉRÉ
  • Le concept à la base de l'invention consiste à adapter l'écoulement d'un liquide entre deux zones amont et aval ayant des modes d'écoulement différents tout en empêchant les bulles d'air de pénétrer dans la zone aval.
  • La Fig. 1 illustre de manière très schématique un dispositif microfluidique entre deux zones d'écoulement, selon un mode de réalisation de l'invention.
  • Conformément à l'invention, le dispositif microfluidique 1 comporte une chambre microfluidique 3, un premier circuit microfluidique dit amont 11 et un deuxième circuit microfluidique dit aval 13.
  • La chambre microfluidique 3 comporte une entrée microfluidique 5 et une sortie microfluidique 7. L'entrée microfluidique 5 est configurée pour être raccordée au circuit microfluidique amont 11 via un canal d'admission 51 (ou canal d'entrée microfluidique). La sortie microfluidique 7 est configurée pour être raccordée au circuit microfluidique aval 11 via un canal d'évacuation 71 (ou canal de sortie microfluidique). A titre d'exemple, les sections des canaux microfluidiques d'admission 51 et d'évacuation 71 sont rectangulaires.
  • La chambre microfluidique 3 s'étend ainsi entre le canal d'admission 51, formant une extrémité du circuit microfluidique amont 11 et le canal d'évacuation 71, formant une extrémité du circuit microfluidique aval 13. La chambre microfluidique 3 présente un volume adapté à former une rétention d'un liquide s'écoulant entre le circuit microfluidique amont 11 et le circuit microfluidique aval 13.
  • Plus particulièrement, la chambre microfluidique 3 a un volume prédéterminé et est délimitée par une paroi latérale 31 et par des première et deuxième parois 33, 35 à deux extrémités de la chambre 3. La première paroi 33 avec une partie connexe de la paroi latérale 31 forment une première partie 37 de la chambre microfluidique 3 définissant une partie de réserve destinée à contenir le liquide. En revanche, la deuxième paroi 35 avec l'autre partie de la paroi latérale 31 forment une seconde partie 39 de la chambre microfluidique 3 définissant une partie d'échappement d'air.
  • On notera que dans toute la description qui va suivre, par convention, on utilise un repère orthonormé direct en coordonnées cartésiennes (X,Y,Z). Le plan (X,Y) est parallèle aux première et deuxième parois 33, 35 et la direction Z est orientée à partir de la première paroi 33 vers la deuxième paroi 35.
  • La chambre microfluidique 3 comporte un évent 9 disposé dans la seconde partie 39 de la chambre microfluidique 3. L'évent 9 est configuré pour évacuer l'air qui se trouve dans la chambre microfluidique 3 avant son remplissage ou l'air s'échappant des bulles d'air contenues dans le liquide s'écoulant dans la chambre microfluidique 3 depuis le circuit microfluidique amont 11.
  • L'air en excès s'échappant de l'évent 9 permet d'éviter la montée d'une surpression dans la chambre microfluidique 3, qui peut éventuellement pousser des bulles d'air dans le canal d'évacuation 71. Par bulles d'air on entend aussi le cas où le liquide arrive par intermittence entrecoupé éventuellement par des arrivées d'air. Par exemple, un premier volume de 5µL de liquide est admis dans la chambre microfluidique 3 suivi par l'arrivée de 10µL d'air et suivi ensuite par l'admission d'un deuxième volume de 8µL de liquide, etc.
  • Avantageusement, l'évent 9 est disposé tout en haut de la chambre microfluidique 3 (i.e. au niveau de la deuxième paroi 35) et comporte un canal d'échappement 91 adapté pour faire évacuer l'air. Dans ce cas, la première partie 37 de la chambre microfluidique 3 occupe presque la totalité du volume prédéterminé de la chambre 3 et la deuxième partie 39 de la chambre 3 se limite pratiquement à la deuxième paroi 35 de cette chambre 3.
  • Ainsi, la chambre microfluidique est reliée aux circuits microfluidiques amont 11 et aval 13 selon une orientation prédéterminée disposant les extrémités des circuits microfluidiques amont 11 et aval 13 à un niveau inférieur à celui de l'évent 9. Les notions d'inférieur (ou bas) et supérieur (ou haut) sont liées au champ de la pesanteur. Autrement dit, et comme représenté sur la Fig. 1, la première paroi 33 et plus bas que la deuxième paroi 35 et le sens de l'axe Z est orienté dans le sens contraire de la pesanteur.
  • En outre, le canal d'évacuation 71 présente une section, dans un plan perpendiculaire à la direction d'écoulement du liquide, dimensionnée pour permettre une évacuation du liquide de la chambre microfluidique 3 à travers le canal d'évacuation 71 par écoulement capillaire spontané.
  • On notera que pour un liquide donné et pour un matériau de surface donné du canal d'évacuation, le paramètre distinctif pour un écoulement capillaire spontané est le dimensionnement de la section du canal d'évacuation. En effet, l'écoulement capillaire généré par une différence de pression ΔP spontanée peut être exprimé par l'équation de Young-Laplace : Δ P = 2 γ cos θ a
    Figure imgb0001
     où γ est la tension de surface du liquide, θ est l'angle de contact entre le liquide et la surface du canal d'évacuation et α est une dimension caractéristique du canal d'évacuation 71 qui correspond à la plus petite dimension pour un canal à section rectangulaire et au rayon pour un canal à section circulaire.
  • Avantageusement, afin d'augmenter d'avantage l'écoulement capillaire, le canal d'évacuation 71 comporte une ou plusieurs parois hydrophiles.
  • Plus particulièrement, pour un liquide sélectionné parmi les liquides suivants : de l'eau, des tampons aqueux (eau +sel ou bien eau + surfactant), des liquides corporels (sang, plasma, sérum, urine, etc.), des liquides de type éthanol, et mélanges de deux ou plusieurs desdits liquides, la ou les paroi(s) hydrophile(s) du canal d'évacuation 71 est(sont) configurée(s) pour que l'angle de contact du liquide sur au moins une paroi du canal d'évacuation 71 soit inférieur à 60° et de préférence inférieur à 30°. Ainsi, l'écoulement capillaire spontané dans le circuit microfluidique aval 13 est avantageusement renforcé.
  • On notera que le circuit microfluidique amont 11 peut être un circuit d'écoulement sous pression. Ainsi, le dispositif microfluidique 3 adapte l'écoulement d'un liquide depuis un circuit microfluidique amont 11 sous pression vers un circuit microfluidique aval 13 à écoulement capillaire spontané tout en empêchant des bulles d'air d'entrer dans ce circuit aval 13.
  • Plus particulièrement, le déplacement du liquide peut se faire selon trois modes actionnés par trois forces différentes. Les forces peuvent être appliquées de manière autonome ou de manière combinée. Une première force est une force de pression exercée par exemple via une pompe qui pousse le liquide en provenance du premier circuit 11 dans la chambre microfluidique 3. Une deuxième force est une force dite de capillarité qui dépend entre autres du dimensionnement de la section du canal d'évacuation 71. Cette deuxième force permet de déplacer le liquide par drainage capillaire depuis la chambre microfluidique 3 vers le circuit aval 13. Une troisième force est la force de pesanteur. Cette dernière peut agir en combinaison avec la force capillaire pour déplacer le liquide vers le circuit aval 13. On notera que selon les modes de réalisation de la présente invention, la force capillaire est beaucoup plus grande que la force de la pesanteur.
  • Ainsi, le liquide en provenance du circuit microfluidique amont 11 est admis via le canal d'admission 51 dans la première partie 37 de la chambre microfluidique 3 par l'action de la pression. En outre, la force capillaire et/ou la force de pesanteur permet au liquide d'être drainé par le canal d'évacuation 71 vers le circuit microfluidique aval 13.
  • Par ailleurs, l'action de la poussée d'Archimède empêche les bulles de s'approcher de la sortie 7 en les faisant monter à la surface du liquide où elles éclatent en dégageant de l'air qui s'échappe ensuite par l'évent 9. En outre, la séparation des bulles se fait en plus de la poussée d'Archimède par l'action de la force capillaire car cette dernière agit exclusivement sur le liquide et n'a aucune action sur les bulles d'air.
  • Ainsi, le remplissage de la chambre 3 se fait par pression, la séparation des bulles d'air se fait par la conjugaison de l'action d'une poussée d'Archimède sur les bulles et de l'action capillaire sur le liquide, et le drainage du liquide vers le circuit microfluidique aval 13 se fait par la combinaison de la force capillaire et de la pesanteur. Le poids de chacune des forces peut dépendre du volume du liquide (i.e. de sa masse), de la géométrie de la chambre microfluidique 3, de la section des canaux microfluidiques et des matériaux du dispositif.
  • En particulier, selon l'exemple de la Fig. 1, la chambre microfluidique 3 est représentée selon une forme cylindrique mais peut avoir une toute autre forme (voir les exemples de la Fig. 3).
  • Par ailleurs, on notera que la chambre microfluidique 3 peut comporter une pluralité d'évents 9, et/ou une pluralité de sorties microfluidiques 7, et/ou une pluralité d'entrées microfluidiques 5.
  • A titre d'exemple, la sortie microfluidique 7 est disposée au fond de la chambre microfluidique 3 (i.e. au niveau de la première paroi 33). Avantageusement, l'entrée microfluidique 5 débouche dans la chambre microfluidique 3 à un niveau supérieur ou égal à celui de la sortie microfluidique 7. Autrement dit, le canal d'admission 51 débouche dans la chambre microfluidique 3 à un niveau supérieur ou égal à celui du canal d'évacuation 71 créant ainsi une marche favorisant le déplacement du liquide par pesanteur vers le canal d'évacuation 71.
  • La Fig. 2 illustre de manière schématique un dispositif microfluidique reliant deux circuits d'écoulement, selon un autre mode de réalisation de l'invention.
  • Le dispositif microfluidique 1 de la Fig. 2 est identique à celui de la Fig. 1 sauf pour le fait que chacun des canaux d'admission 51 et d'échappement 91 comporte une vanne.
  • En effet, le canal microfluidique d'admission 51 comprend une vanne d'entrée 53 adaptée pour arrêter ou modifier le débit du liquide admis dans la chambre microfluidique 3 depuis le circuit microfluidique amont 11. Le canal d'échappement 91 comprend une vanne d'échappement 93 adaptée pour arrêter ou contrôler l'évacuation de l'air vers l'atmosphère. On notera que le canal microfluidique d'évacuation 71 peut également comprendre une vanne de sortie (non représentée) adaptée pour arrêter ou modifier le débit du liquide transporté depuis la chambre microfluidique 3 vers le circuit microfluidique aval 13.
  • En variante, le dispositif microfluidique peut comporter une seule vanne installée dans l'un quelconque des canaux d'admission 51, d'échappement 91 et d'évacuation 71.
  • La Fig. 3 illustre de manière schématique, différentes formes de chambres microfluidiques, selon différents modes de réalisation de l'invention.
  • Plus particulièrement la Fig. 3 représente des vues de dessous montrant les premières parois 133-1133 des différentes chambres microfluidiques 103-1103 dans un plan (X, Y). Selon ces différents exemples, les canaux d'évacuation 71 et d'admission 51 ne sont pas forcément disposés dans le même plan. En effet, le canal de sortie 71 est avantageusement disposé plus bas (dans la direction Z) que le canal d'admission 51.
  • Plus particulièrement, le premier exemple montre une chambre microfluidique 103 ayant une section triangulaire (dans un plan (X, Y)) du côté du canal d'évacuation 71 et une section circulaire du côté du canal d'admission 51. Le canal d'évacuation 71 émerge au niveau d'un sommet de la section triangulaire tandis que le canal d'admission 51 débouche au niveau de la section circulaire.
  • Le deuxième exemple montre une chambre microfluidique 203 ayant une section triangulaire. Le canal d'évacuation 71 émerge depuis un sommet de la section triangulaire et le canal d'admission 51 débouche au milieu du côté opposé à ce sommet.
  • Le troisième exemple montre une chambre microfluidique 303 ayant une section circulaire formant ainsi une chambre cylindrique comme celle représentée sur les Figs. 1 et 2.
  • Le quatrième exemple montre une chambre microfluidique 403 ayant une section ovale pointue sur un côté du grand axe de l'ovale et arrondie sur le côté opposé. Le canal d'évacuation 71 apparaît au niveau du côté pointu et le canal d'admission 51 aboutit au niveau du côté arrondi.
  • Les autres exemples montrent des chambres microfluidiques 533-1133 ayant d'autres configurations ou formes géométriques.
  • On notera que la majorité des exemples (à l'exception des trois dernières chambres microfluidiques 933, 1033, 1133) montrent que le volume interne de chaque chambre microfluidique possède une configuration concave (i.e., tout segment reliant deux points du volume interne est inscrit dans le volume interne).
  • Par ailleurs, chacune des chambres microfluidiques 133, 233, 433 et 831 présente une forme convergente au voisinage du canal d'évacuation 71 et divergente au voisinage du canal d'admission 51. La partie divergente permet d'augmenter le volume de la chambre microfluidique tandis que la partie convergente permet de mieux drainer le liquide vers la sortie.
  • Pour faciliter encore davantage l'évacuation du liquide via la sortie, les parois internes de la partie convergente de chacune des chambres microfluidiques 133, 233, 433 sont couvertes d'une couche hydrophile tandis que les parois internes de la partie divergente sont couvertes d'une couche hydrophobe. En variante, pour des raisons pratiques de fabrication, toute la surface interne de chacune des chambres microfluidiques est hydrophile.
  • Avantageusement, la majorité des chambres microfluidiques (à l'exception des chambres 233 et 1133) ne comportent pas d'angles vifs, ce qui favorise un bon drainage du liquide vers la sortie 7. En effet, des angles vifs au niveau de la sortie 7 peuvent empêcher un bon drainage capillaire vers la sortie. De même, des angles vifs à l'intérieur d'une chambre microfluidique 3 hydrophile peuvent retenir le liquide par des forces capillaires empêchant ainsi le bon drainage du liquide vers la sortie 7.
  • La Fig. 4A illustre de manière schématique un dispositif microfluidique comportant une chambre microfluidique 3 reliée à un circuit amont adapté pour un écoulement par pression et à un circuit aval adapté pour un écoulement capillaire dans un plan (X, Y), selon un mode préféré de réalisation de l'invention.
  • A titre d'exemple le circuit amont 11 peut comporter des filtres qui peuvent nécessiter un écoulement du liquide sous pression grâce à des pompes 12. Le circuit aval correspond par exemple à un réseau de cellules microfluidiques 14 comprenant des réactifs pour réaliser des réactions chimiques ou biologiques où un remplissage par capillarité présente certains avantages. En effet, le remplissage par capillarité favorise un remplissage complet de toutes les cellules du réseau, ce qui est difficile à réaliser en écoulement sous pression.
  • Le volume prédéterminé de la chambre microfluidique 3 est choisi supérieur à un volume critique défini en fonction du volume total du liquide qui doit être injecté dans la chambre 3 et/ou des débits d'entrée et de sortie du liquide. Ce volume critique permet de s'assurer que le remplissage de la chambre microfluidique 3 par un écoulement sous pression ne soit pas plus rapide que sa vidange par un écoulement capillaire. Ceci est assuré soit lorsque le volume de la chambre microfluidique 3 est supérieur ou égal au volume total du liquide injecté dans la chambre 3 soit lorsque le débit d'entrée du liquide est inférieur ou égal au débit de sortie. Le volume critique peut aussi être défini par une combinaison astucieuse de ces deux contraintes.
  • A titre d'exemple, pour un volume total du liquide injecté de 30 µl à un débit d'entrée de l'ordre de 100 µl/min, la chambre microfluidique 3 peut avoir un volume prédéterminé entre 20 µl et 30 µl. En particulier, le volume de la chambre microfluidique 3 peut être de l'ordre de 25 µl avec un débit de sortie de l'ordre de 120 µl/min. Par exemple, l'aire de la première paroi peut être de l'ordre de 7 mm et la hauteur de la chambre microfluidique 3 peut être de l'ordre de 3,5 mm.
  • Par ailleurs, le canal microfluidique d'évacuation 71 est avantageusement disposé à l'extrémité inférieure de la chambre microfluidique 3 et de préférence sur la première paroi. Selon cet exemple, le canal microfluidique d'admission 51 est également disposé à l'extrémité inférieure de la chambre microfluidique 3 mais il peut bien entendu, être disposé sur la paroi latérale de cette chambre 3.
  • Le canal microfluidique d'admission 51 est adapté pour un écoulement sous pression et le canal microfluidique d'évacuation 71 est adapté pour un écoulement capillaire spontané.
  • En effet, le canal microfluidique d'évacuation 71 présente une section plus petite que celle du canal microfluidique d'admission 51. A titre d'exemple, pour une chambre microfluidique 3 ayant un volume de l'ordre de 25 µl, le canal microfluidique d'évacuation 71 a une section d'environ 300µm x 300µm et le canal microfluidique d'admission 51 a une section d'environ 500µm x 300µm. Ceci permet au canal microfluidique d'admission 51 d'être plus adapté pour un écoulement sous pression et permet au canal microfluidique d'évacuation 71 d'être plus adapté pour un écoulement capillaire.
  • En outre, afin de garantir un bon écoulement capillaire spontané et compte tenu des liquides d'intérêts susceptibles d'être utilisés dans ce dispositif (comme par exemple les liquides biologiques), le canal microfluidique d'évacuation 71 est avantageusement réalisé avec des parois hydrophiles permettant d'engendrer des petits angles de contact inférieur à 60°.
  • A titre d'exemple, la Fig. 4B montre un canal microfluidique d'évacuation 71 ayant une paroi supérieure 73 et des parois latérales 74, 75 recouvertes d'une couche hydrophile présentant un angle de contact de l'ordre de 10°. La couche hydrophile peut être une couche de verre ou de silice, une couche de silanes avec une extrémité hydrophile (de type « -COOH »), ou bien une couche de groupes « -OH » formée sur la surface du polymère par un traitement plasma. La paroi inférieure 76 peut être constituée d'un fin papier adhésif non traité et présentant un angle de contact de l'ordre de 60° (i.e., moins hydrophile que les trois autres parois).
  • Avantageusement, l'évent 9 présente une ouverture de largeur supérieure à la taille des bulles d'air afin d'empêcher ces dernières d'obstruer l'évent 9 et donc d'éviter la montée d'une surpression qui peut éventuellement pousser des bulles d'air dans le canal microfluidique d'évacuation 71. A titre d'exemple, l'évent 9 peut présenter un diamètre d'environ 300µm à 1mm. Pour certaines applications, la chambre microfluidique 3 peut même être complètement ouverte sur sa partie supérieure (i.e., ne comportant pas de deuxième paroi) et dans ce cas, le diamètre de l'évent est le même que celui de la chambre microfluidique 3. En outre, l'évent 9 peut avantageusement comporter une arête adaptée pour empêcher le liquide ou les bulles d'air de boucher l'ouverture de l'évent 9.
  • Selon ce mode de réalisation, le canal d'échappement 91 est avantageusement disposé à l'extrémité supérieure de la chambre microfluidique 3 et plus précisément sur le plafond (i.e. la deuxième paroi) de cette chambre 3. Le canal d'échappement 91 peut présenter une section d'environ 300µm x 300µm à 1mm x 1mm.
  • Ainsi, lorsqu'un liquide (contenant par inadvertance ou de manière incontrôlée des bulles d'air) pénètre via le canal microfluidique d'admission 51 dans la chambre microfluidique 3, les bulles d'air à cause de leur faible densité, montent en surface. L'excès d'air s'échappant de l'éclatement des bulles d'air en surface est évacué par l'évent 9 prévenant ainsi la formation d'une surpression qui autrement, aurait poussé les bulles d'air avec le liquide dans le canal microfluidique d'évacuation 71.
  • Par ailleurs, lorsque le liquide atteint la sortie microfluidique 7, l'action capillaire du canal microfluidique d'évacuation 7 transporte le liquide vers le circuit amont 13. En revanche, les bulles d'air ne rentrent pas dans le canal microfluidique d'évacuation 71 car elles restent en surface du liquide dans la chambre microfluidique 3 et de plus, l'action capillaire n'agit pas sur elles.
  • La Fig. 5 illustre de manière schématique un dispositif microfluidique, selon un mode de réalisation préféré de l'invention.
  • Le dispositif microfluidique 111 comporte un circuit microfluidique amont 11, un circuit microfluidique aval 13 et une chambre microfluidique 3. Le circuit amont 11 est adapté pour un écoulement sous pression tandis que le circuit aval 13 est adapté pour un écoulement capillaire spontané.
  • La chambre microfluidique 3 est similaire à l'un quelconque de modes de réalisation décrit précédemment est correspond ainsi à une interface entre une première zone 11 d'écoulement sous pression et une deuxième zone 13 d'écoulement capillaire spontané. Cette interface permet de transférer un liquide depuis la première zone 11 d'écoulement vers la deuxième zone 13 d'écoulement tout en prévenant le transfert de bulles d'air dans la deuxième zone 13.
  • Avantageusement, le circuit microfluidique amont 11, le circuit microfluidique aval 13, la chambre microfluidique 3, les canaux microfluidiques d'admission 51 et d'évacuation 71 et le canal d'échappement 91 sont formés d'un seul tenant.
  • Le fait que le dispositif microfluidique 111 est formé d'un seul tenant ou en une seule pièce permet de s'affranchir des contraintes technologiques liées à des problèmes de connexion. En effet, aucune connectique n'est nécessaire entre d'une part la chambre microfluidique 3 comprenant les canaux microfluidiques d'admission 51 et d'évacuation 71, et d'autre part, chacun des circuits amont 11 et aval 13.
  • De plus, un dispositif microfluidique 111 formé d'un seul tenant permet d'optimiser la qualité de transfert du liquide depuis le circuit amont 11 vers le circuit aval 13 sans l'introduction des bulles d'air dans ce circuit 13.
  • Le dispositif microfluidique 111 peut par exemple être constitué d'un premier substrat 112 disposé en-dessous d'un deuxième substrat 114 et renfermant les circuits microfluidiques amont 11 et aval 13, les canaux microfluidiques d'admission 51 et d'évacuation 71 ainsi que la chambre microfluidique 3. Les canaux d'admission 51 et d'évacuation 71 ainsi que la cavité de la chambre microfluidique 3 peuvent être formés dans le premier substrat 112 tandis que l'évent 9 et le canal d'échappement 91 peuvent être formés dans le deuxième substrat 114. Par ailleurs, les réseaux microfluidiques des circuits amont 11 et aval 13 peuvent être formés sur l'un ou l'autre des premier et deuxième substrats 112, 114.
  • Ainsi, les mêmes substrats 112, 114 sont utilisés pour former en un seul tenant les circuits microfluidiques amont 11 et aval 13 les canaux microfluidiques d'admission 51 et d'évacuation 71 ainsi que la chambre microfluidique 3. Le matériau du premier substrat 112 et/ou du deuxième substrat 114 peut être sélectionné parmi un grand choix de matériaux comme par exemple, du polymère polycarbonate, du PMMA, du COC, du silicium, du papier, etc.
  • Les orifices, les cavités, et les canaux microfluidiques peuvent être 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.
  • En outre, le premier substrat 112 et le deuxième substrat 114 sont assemblés de manière à assurer un contact étanche tout en aménageant un espace d'écoulement au niveau des cavités et des différents canaux microfluidiques. L'assemblage peut être réalisé par collage, par plasma, par scellement thermique ou par un plaquage mécanique.
  • A titre d'exemple, le circuit amont 11 est utilisé pour préparer un liquide et pour l'injecter sous pression. Le circuit aval 13 correspond à une zone d'écoulement capillaire comportant des canaux alimentant un réseau de cellules 14 réactionnelles. La chambre microfluidique 3 réalise une interface entre les deux modes d'écoulement fluidiques tout en prévenant le transfert dans la zone capillaire de bulles d'air présentes dans le liquide entrant. De plus, le dispositif microfluidique 111 permet de remplir le circuit capillaire 13 avec le volume total du liquide injecté en minimisant le gaspillage. Il permet également de réaliser une injection séquentielle et multi fluidique dans le circuit capillaire 13. En outre, le dispositif microfluidique 1 peut être utilisé pour mélanger différents liquides avant le transfert du mélange sans bulles dans le circuit capillaire 13.

Claims (13)

  1. Dispositif microfluidique comportant un premier circuit microfluidique dit amont (11) et un deuxième circuit microfluidique dit aval (13), les circuits microfluidiques amont et aval (11, 13) étant raccordés à une chambre microfluidique (3) s'étendant entre un canal d'admission (51), formant une extrémité du circuit microfluidique amont (11) et un canal d'évacuation (71), formant une extrémité du circuit microfluidique aval (13), le dispositif étant caractérisé en ce que :
    - la chambre microfluidique (3) présente un volume adapté à former une rétention d'un liquide s'écoulant entre le circuit microfluidique amont (11) et le circuit microfluidique aval (13),
    - le canal d'évacuation présente une section, dans un plan perpendiculaire à la direction d'écoulement du liquide, dimensionnée pour permettre une évacuation du liquide de la chambre microfluidique (3) à travers ledit canal d'évacuation par écoulement capillaire spontané, et
    - la chambre microfluidique (3) comporte un évent (9) configuré pour évacuer l'air contenu dans le liquide s'écoulant dans ladite chambre microfluidique (3) depuis le circuit microfluidique amont (11).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (11) microfluidique amont est un circuit d'écoulement sous pression.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite chambre microfluidique est configurée pour être reliée aux circuits microfluidiques amont et aval (11, 13) selon une orientation prédéterminée disposant les extrémités des circuits microfluidiques amont et aval (11, 13) à un niveau inférieur à celui de l'évent (9), les notions d'inférieur et de supérieur étant liées au champ de la pesanteur.
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal d'admission (51) débouche dans la chambre microfluidique (3) à un niveau supérieur ou égal à celui du canal d'évacuation (71).
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal d'évacuation (71) comporte des parois hydrophiles.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide est sélectionné parmi les liquides suivants : eau, tampons aqueux et liquides corporels, et en ce que l'angle de contact du liquide sur au moins une paroi du canal d'évacuation (71) est inférieur à 60° et de préférence inférieur à 30°.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'évent (9) comporte un canal d'échappement (91) adapté pour faire évacuer l'air.
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une vanne (53, 93) installée dans au moins l'un des canaux d'admission (51), d'évacuation (71), et d'échappement (91).
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume prédéterminé de la chambre microfluidique est supérieur à un volume critique défini en fonction d'un volume total du liquide injecté dans la chambre microfluidique et/ou des débits d'entrée et de sortie du liquide.
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre microfluidique (3) présente des parois internes hydrophiles avec une section divergente du côté de l'admission microfluidique et une section convergente du côté de l'évacuation microfluidique.
  11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'évents, et/ou une pluralité d'admissions microfluidiques, et/ou une pluralité d'évacuations microfluidiques.
  12. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits microfluidiques amont et aval (11, 13), la chambre microfluidique (3), et les canaux d'admission et d'évacuation sont formés en un seul tenant.
  13. Procédé d'écoulement microfluidique entre un premier circuit microfluidique dit amont (11) et un deuxième circuit microfluidique dit aval (13), les circuits microfluidiques amont et aval (11, 13) étant raccordés à une chambre microfluidique (3) s'étendant entre un canal d'admission (51), formant une extrémité du circuit microfluidique amont (11) et un canal d'évacuation (71), formant une extrémité du circuit microfluidique aval (13), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
    - configurer la chambre microfluidique (3) de manière en ce que son volume soit adapté à former une rétention d'un liquide s'écoulant entre le circuit microfluidique amont (11) et le circuit microfluidique aval (13),
    - dimensionner le canal d'évacuation selon une section, dans un plan perpendiculaire à la direction d'écoulement du liquide, pour permettre une évacuation du liquide de la chambre microfluidique (3) à travers ledit canal d'évacuation par écoulement capillaire spontané, et
    - aménager un évent (9) dans la chambre microfluidique (3) pour évacuer l'air s'échappant de bulles d'air contenues dans le liquide s'écoulant dans ladite chambre microfluidique (3) depuis le circuit microfluidique amont (11).
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