FR2577433A1

FR2577433A1 - Apparatus for mixing a plurality of liquids

Info

Publication number: FR2577433A1
Application number: FR8502499A
Authority: FR
Inventors: Yves Dupont
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1985-02-21
Filing date: 1985-02-21
Publication date: 1986-08-22

Abstract

It comprises as many movement actuators (threaded rods te, ts, tq and tr and nuts actuated by stepping motors me, ms, mq and mr) as there are syringes E, S, Q, R to feed a system of tubes passing particularly through mixing devices m1 and m2. The invention can be employed especially for observing biochemical reactions.

Description

APPAREILLAGE POUR MELANGER UNE PLURALITE DE
LIQUIDES
La présente invention qui a pour objet un appareillage pour mélanger une pluralité de Liquides, est notamment relative, d'une manière générale, à l'étude des transformations biochimiques dans les systèmes biologiques et, d'une manière plus précise, à l'étude des réactions enzymatiques.APPARATUS FOR MIXING A PLURALITY OF
LIQUIDS
The present invention which relates to an apparatus for mixing a plurality of liquids, relates in particular, in general, to the study of biochemical transformations in biological systems and, more precisely, to the study enzymatic reactions.

Plus particulièrement, l'appareillage de l'invention a été conçu et réalisé pour permettre l'investigation des événements rapides associés à ces réactions de transformation. More particularly, the apparatus of the invention has been designed and produced to allow the investigation of the rapid events associated with these transformation reactions.

On en citera quelques exemples : l'étude des étapes de la transformation chimique d'une molécule biologique comme un sucre, l'ATP ou toute autre molé- cule d'intérêt biologique ; l'étude des étapes associées au transport d'un ion dans une cellule ; l'étude du déroulement dans le temps de l'assemblage d'un virus ; etc... We will cite some examples: the study of the stages of chemical transformation of a biological molecule such as a sugar, ATP or any other molecule of biological interest; studying the steps associated with transporting an ion in a cell; studying the time course of assembly of a virus; etc ...

Dans tous ces cas d'études, il y a lieu de procéder au mélange d'au moins deux liquides, qui sont des solutions des éléments à faire réagir ensemble, et il serait souhaitable de pouvoir contrôler optimalement notamment la vitesse, la précision, La reproductibilité, et la composition du mélange. In all these case studies, it is necessary to mix at least two liquids, which are solutions of the elements to be reacted together, and it would be desirable to be able to optimally control in particular the speed, the precision, the reproducibility, and the composition of the mixture.

Jusqu'à présent, Les appareillages antérieurement connus pour effectuer ce mélange d'au moins deux liquides sont tous conçus seLon le meme principe suivant : ils comportent un plateau unique de poussée, mû par un seul moteur généralement pneumatique, qui pousse les tiges de piston d'au moins deux seringues contenant les solutions à mélanger ; les sorties de ces seringues alimentent un dispositif mélangeur qui injecte le mélange ainsi réalisé dans un tube permettant éventuellement L'étude du mélange, et la sortie de ce tube alimente le volume intérieur d'une seringue de récupération en repoussant son piston qui, en fin de course désirée, actionne une commande d'arrêt du moteur de poussée du plateau de l'appareillage. Up to now, the apparatuses previously known for carrying out this mixing of at least two liquids are all designed according to the same following principle: they comprise a single thrust plate, driven by a single generally pneumatic motor, which pushes the piston rods at least two syringes containing the solutions to be mixed; the outlets of these syringes feed a mixing device which injects the mixture thus produced into a tube possibly allowing the study of the mixture, and the outlet of this tube feeds the interior volume of a recovery syringe by pushing back its piston which, at the end of the desired stroke, activates a command to stop the thrust motor of the gear tray.

Les nombreux inconvénients ou insuffisances des diverses réalisations connues de ces appareillages sont les suivants : - les dispositifs de poussée du plateau unique, géné
ralement à moteur pneumatique, sont peu fiables et
leurs principaux défauts sont une vitesse et une
durée de poussée peu reproductibles ; - le couplage mécanique entre les différentes serin
gues contenant les solutions à mélanger n'est jamais
parfait, de sorte que les quantités respectives des
liquides injectés par ces seringues ne sont pas ri
goureusement reproductibles au cours d'expériences
successives, ce qui en fausse les résultats ; - ces appareillages sont, en raison même de leur prin
cipe de conception, très rigides d'emploi ; par
exemple, il n'est pas aisé de modifier tes rapports
de volumes injectés par les différentes seringues ;
cela est généralement obtenu en utilisant des serin
gues de sections inégales, mais ce changement de se
ringues implique un démontage, un remontage et un
réalignement complet de l'appareillage longs et mi
nutieux ; ou, encore, certaines réalisations assu
rent la poussée des différentes seringues par le
plateau unique par l'intermédiaire de tiges de lon
gueurs variables mais ces réalisations deviennent
alors fragiles et peu fiables ; - L'extension de ces appareillages à des cas nécessi
tant l'emploi de plus de trois seringues pour des
mélanges multiples conduit très rapidement à des
réalisations de constructions mécaniques d'une com
plexité prohibitive ; - enfin, ces appareillages comportent, entre les sor
ties des seringues contenant les solutions à mélan
ger et l'entrée de la seringue de récupération, di
vers dispositifs pour contrôler le fonctionnement de
l'appareillage et l'asservissement entre elles des
seringues qui créent nécessairement des volumes
morts de tube rempli par le mélange ; dans certains
cas, ces volumes morts entrainent la perte de plus
de 50X de l'échantillon étudie, ce qui devient pro
hibitif si l'échantillon est rare.The numerous drawbacks or inadequacies of the various known embodiments of these devices are as follows: - the pushing devices of the single plate, generated
are generally unreliable and
their main shortcomings are speed and
duration of pushing not very reproducible; - mechanical coupling between the different canaries
gues containing the solutions to be mixed is never
perfect, so the respective amounts of
liquids injected by these syringes are not laughed
highly reproducible during experiments
successive, which distorts the results; - these devices are, by their very nature
design concept, very rigid in use; by
example, it is not easy to modify your reports
volumes injected by the various syringes;
this is usually achieved by using canaries
uneven sections but this change in
ringues involves disassembly, reassembly and
complete realignment of long and mid switchgear
nutious; or, again, certain achievements assu
the thrust of the different syringes by the
single tray via lon rods
variable but these achievements become
then fragile and unreliable; - The extension of these devices to cases
both the use of more than three syringes for
multiple mixtures very quickly leads to
mechanical construction achievements of a com
prohibitive plexity; - finally, these devices include, between the sor
syringes containing the melan solutions
ger and the entry of the recovery syringe, di
to devices to control the operation of
the apparatus and the enslavement between them of
syringes that necessarily create volumes
dead tube filled with the mixture; in some
cases, these dead volumes result in the loss of more
than 50X of the sample is studying, which becomes pro
hibitive if the sample is rare.

L'invention a précisément pour but de proposer un appareillage pour mélanger une pluralité de liquides qui est d'une nouvelle conception telle qu'elle remédie aux divers inconvénients mentionnés ci-avant. The object of the invention is precisely to propose an apparatus for mixing a plurality of liquids which is of a new design such that it overcomes the various drawbacks mentioned above.

A cet effet, l'invention a pour objet un appareillage pour mélanger une pluralité de liquides du genre comportant une pluralité de seringues contenant les liquides à mélanger et injectant ces liquides dans un réseau de tubes équipé de divers dispositifs assurant diverses fonctions telles que notamment les mélanges, caractérisé en ce que chaque tige de piston de toutes les seringues que- comporte l'appareillage est une tige munie de moyens assurant son déplacement con trôlé. To this end, the subject of the invention is an apparatus for mixing a plurality of liquids of the type comprising a plurality of syringes containing the liquids to be mixed and injecting these liquids into a network of tubes equipped with various devices ensuring various functions such as in particular the mixtures, characterized in that each piston rod of all the syringes that the apparatus comprises is a rod provided with means ensuring its controlled movement.

Selon un mode préféré, L'invention a pour objet un appareillage pour mélanger une pluralité de liquides du genre comportant une pluralité de seringues contenant les liquides à mélanger et injectant ces liquides dans un réseau de tubes équipé de divers dispositifs assurant diverses fonctions telles que notamment les mélanges, caractérisé en ce que chaque tige de piston de toutes les seringues que comporte l'appareillage est une tige filetée vissée dans un écrou dont la rotation est obtenue par un moteur électrique du type pas à pas l'ensemble de ces moteurs électriques pas à pas étant contrôlé par des moyens connus en soi de pilotage électronique en fonction de tout programme d'expériences désiré. Par seringue, tel qu'employé ici, il faut .entendre un réservoir pourvu d'un piston mobile et d'une ouverture laissant circuler les fluides sous l'action du piston. According to a preferred embodiment, the invention relates to an apparatus for mixing a plurality of liquids of the type comprising a plurality of syringes containing the liquids to be mixed and injecting these liquids into a network of tubes equipped with various devices ensuring various functions such as in particular mixtures, characterized in that each piston rod of all the syringes which the apparatus comprises is a threaded rod screwed in a nut whose rotation is obtained by an electric motor of the stepping type all of these electric motors step by step being controlled by means known per se of electronic piloting according to any desired experience program. By syringe, as used herein, is meant a reservoir provided with a movable piston and with an opening allowing the fluids to circulate under the action of the piston.

Les avantages d'un tel appareillage sont notamment les suivants :
- son assemblage mécanique est très simple fié ;
- les seringues, commandées chacune par un moteur pas à pas, peuvent être poussées avec un synchronisme presque parfait à L'aide d'un simple genérateur d'impulsions ;
- des rapports d'injections variables entre les différentes seringues peuvent être obtenus très aisement par simple changement de fréquence d'un ou plusieurs de ces moteurs pas à pas, et ce de manière reproductible ;
- des séquences d'injections complexes nécessitant des poussées non simultanées sur différentes seringues sont imaginables ;
- la motorisation de la seringue de récupération permet l'élimination d'électro-vannes qui sont autrement nécessaires pour rejeter le début de mélange comme on le comprendra mieux ci-dessous ;;
- les deux derniers avantages ci-dessus combinés permettent de réduire considérablement Les volumes morts de tube rempli du mélange et donc les pertes d'échantillon ;
- enfin, l'appareillage est très facilement pilotable à l'aide d'un micro-processeur.The advantages of such an apparatus are in particular the following:
- its mechanical assembly is very simple;
- the syringes, each controlled by a stepping motor, can be pushed with almost perfect synchronism using a simple pulse generator;
- Variable injection ratios between the different syringes can be obtained very easily by simply changing the frequency of one or more of these stepper motors, and this in a reproducible manner;
- sequences of complex injections requiring non-simultaneous pushing on different syringes are conceivable;
- the motorization of the recovery syringe allows the elimination of solenoid valves which are otherwise necessary to reject the start of mixing as will be better understood below;
- The last two advantages combined above make it possible to considerably reduce the dead volumes of the tube filled with the mixture and therefore the sample losses;
- finally, the equipment is very easily controllable using a microprocessor.

L'invention sera encore mieux comprise à l'aide de la description suivante qui sera faite en référence au dessin annexé, sur Lequel : - les figures 1 et 2 représentent schématiquement
l'état de la technique concernée par la présente in
vention sous forme de deux réalisations classiques,
et
-les figures 3 à 5 représentent schématiquement trois réalisations d'appareillages conformes à l'invention.The invention will be understood more clearly with the aid of the following description, which will be made with reference to the attached drawing, in which: - Figures 1 and 2 schematically
the state of the art concerned by the present in
vention in the form of two classic realizations,
and
FIGS. 3 to 5 schematically represent three embodiments of apparatus in accordance with the invention.

Daris l'appareillage de la figure 1, un seul moteur M, généralement pneumatique, pousse, dans le sens de la flèche, un plateau unique P qui transmet cette poussée simultanément aux deux tiges de piston tl et t2 de deux seringues, par exemple une seringue E contenant une préparation biologique, et notamment enzymatique, et une seringue S contenant un réactif, et notamment un substrat. Pendant la poussée, Les deux liquides délivrés par les seringues E et S se mélangent intimement dans un dispositif mélangeur m.Le mélange est injecté dans un tube d'observation to transparent, situe Le plus près possible du dispositif mélangeur m, et analysé par tout système de détection optique approprié : à fluorescence, à mesure d'absorbance, à diffusion de lumière, à polarisation ou dépolarisation de lumière, à dichroisme, etc... ou encore par d'autres systèmes de détection à conductimétrie, ou à mesure de pH ou de température. Le mélange poursuit son chemin pour aboutir à une seringue de récupération R qui, après qu'une quantité suffisante de mélange a été injecté, agit par la tige de son piston refoulé sur un micro-contact mc qui contrôle L'jarret du moteur M. In the apparatus of FIG. 1, a single motor M, generally pneumatic, pushes, in the direction of the arrow, a single plate P which transmits this thrust simultaneously to the two piston rods tl and t2 of two syringes, for example a syringe E containing a biological preparation, and in particular an enzymatic preparation, and a syringe S containing a reagent, and in particular a substrate. During the push, the two liquids delivered by syringes E and S mix intimately in a mixing device m. The mixture is injected into an observation tube to transparent, located as close as possible to the mixing device m, and analyzed by all suitable optical detection system: fluorescence, absorbance measurement, light scattering, polarization or depolarization of light, dichroism, etc. or by other detection systems with conductimetry, or measurement of pH or temperature. The mixture continues on its way to reach a recovery syringe R which, after a sufficient quantity of mixture has been injected, acts by the rod of its piston pushed back on a micro-contact mc which controls the stop of the engine M.

Dans le cas de la figure 2, l'appareilLage sert à pousser simultanément trois seringues. Les seringues E et S sont les mêmes que dans le cas précédent. Les mêmes références sur les figures 1 et 2 re perlent d'ailleurs de mêmes éléments d'appareillage. Le mélange issu d'un premier dispositif mélangeur ml cir cule ensuite dans un tube t de longueur L variable et arrive donc, au bout d'un temps variable avec cette longueur, au niveau d'un deuxième dispositif mélangeur m2. Le premier mélange se mélange alors avec une troi sième solution délivrée par une troisième seringue Q qui contient un inhibiteur ayant comme propriété d'arrêter l'évolution de la réaction en cours au sein du premier mélange. Après ce second mélange, le liquide est récupéré dans la seringue R pour analyse.Dans ce cas, des électrovannes EV1 et EV2 sont nécessaires pour rejeter le liquide en début de poussée car celuici correspond au liquide resté dans les tubes avant l'expérience en cours et qui doit donc etre évacué par la vanne Envi. In the case of Figure 2, the Lage device is used to simultaneously push three syringes. The syringes E and S are the same as in the previous case. The same references in Figures 1 and 2 re bead the same fitting elements. The mixture from a first mixing device ml then circulates in a tube t of variable length L and therefore arrives, at the end of a variable time with this length, at a second mixing device m2. The first mixture then mixes with a third solution delivered by a third syringe Q which contains an inhibitor having the property of stopping the progress of the reaction in progress within the first mixture. After this second mixing, the liquid is collected in the syringe R for analysis. In this case, solenoid valves EV1 and EV2 are necessary to reject the liquid at the start of the push because this corresponds to the liquid remaining in the tubes before the experiment in progress. and which must therefore be evacuated by the Envi valve.

Ces deux réalisations sont typiques de L'art antérieur connu et présentent la série d'inconvénients mentionnée ci-dessus. These two embodiments are typical of the known prior art and have the series of drawbacks mentioned above.

Par rapport à cet art antérieur, L'invention sera mieux comprise à l'aide des trois exemples de réalisation faisant l'objet des figures suivantes, 3 à 5. Compared to this prior art, the invention will be better understood using the three embodiments which are the subject of the following figures, 3 to 5.

La figure 3 représente, schématiquement, un appareillage simple pour le mélange de deux liquides. Figure 3 shows, schematically, a simple device for mixing two liquids.

Les tiges te et ts des deux seringues E et S sont, selon L'invention, réalisées sous forme de tiges -fi le- tées vissées dans des écrous commandés individuelle- ment par deux moteurs électriques de type pas à pas me et ms. Le pilotage coordonné de ces deux moteurs est assuré de manière connue en soi à l'aide d'un microprocesseur mp. On observe que la seringue de récupération R des appareillages des figures 1 et 2 est maintenant devenue inutile puisque L'on peut piloter de manière très précise les deux moteurs me et ms et les arrêter de manière très nette en toute position predé- terminée. La sortie du tube d'observation to est donc une sortie directe de rejet sr.The rods te and ts of the two syringes E and S are, according to the invention, produced in the form of rods -fi threaded screwed into nuts controlled individually by two electric motors of the me and ms step type. The coordinated control of these two motors is provided in a manner known per se using an mp microprocessor. It is observed that the recovery syringe R of the devices of FIGS. 1 and 2 has now become useless since it is possible to control the two motors me and ms very precisely and to stop them very clearly in any predetermined position. The outlet from the observation tube to is therefore a direct outlet for discharge sr.

La figure 4 représente, schématiquement, un appareillage à trois seringues avec seringue finale de récupération analogue à ce lui de la figure 2 mais con çu conformément à l'invention. Les mêmes references sur les figures 2 et 4 repèrent les mêmes éléments. FIG. 4 schematically represents an apparatus with three syringes with a final recovery syringe similar to that of FIG. 2 but designed in accordance with the invention. The same references in Figures 2 and 4 identify the same elements.

Les tiges fil-etées tq et tr des seringues Q et R sont commandées par des moteurs pas à pas mq et mr. Dans te cas de cet appareillage, et par comparaison avec celui de la figure 2, ou a pu supprimer les électrovannes
EV1 et EV2 car la motorisation individuelle de la seringue R permet de dévier le flux de liquides mélangés dans la direction voulue.The threaded rods tq and tr of the syringes Q and R are controlled by stepper motors mq and mr. In the case of this equipment, and by comparison with that of Figure 2, or could remove the solenoid valves
EV1 and EV2 because the individual motorization of the syringe R makes it possible to divert the flow of mixed liquids in the desired direction.

En effet, en appelant VR, VE, VS et VQ respectivement les volumes de liquides émis ou reçus par les différentes seringues R, E, V et Q
- si l'on a VR=O, le mélange est rejeté par la sortie de rejet sr, et,si l'on a VR=VE+VS+VQ, on procède à la récupération du mélange par la seringue
R.Indeed, by calling VR, VE, VS and VQ respectively the volumes of liquids emitted or received by the different syringes R, E, V and Q
- if we have VR = O, the mixture is rejected by the rejection outlet sr, and, if we have VR = VE + VS + VQ, the mixture is recovered using the syringe
R.

La figure 5 illustre enfin, schématiquement, les possibilités de L'invention au-delà des avantages précédemment expliqués. FIG. 5 finally illustrates, schematically, the possibilities of the invention beyond the advantages explained above.

Il s'agit là d'un appareillage nouveau à congélation rapide. This is a new fast freezing device.

Avec les mêmes références et conventions que précédemment, au cours d'une première phase, les pistons des seringues E et S sont poussés ét celui de ta seringue R tiré avec des vitesses relatives telles que l'on ait VR = VE+VS, et il s'ensuit que la solution mélangée E+S circule dans un tube de stockage ts sans provoquer de fuite par un trou tc situé au centre de ce tube ts. With the same references and conventions as previously, during a first phase, the pistons of the syringes E and S are pushed and that of your syringe R drawn with relative speeds such that we have VR = VE + VS, and it follows that the mixed solution E + S circulates in a storage tube ts without causing a leak through a hole tc located in the center of this tube ts.

About d'un temps prédéterminé, par exemple de quelques millisecondes à quelques secondes ou minu tes, les seringues E et S étant bloquées, la seringue
R pousse l'échantillon à travers le trou central tc.About a predetermined time, for example from a few milliseconds to a few seconds or minutes, syringes E and S being blocked, the syringe
R pushes the sample through the central hole tc.

Le meme résultat peut d'ailleurs être obtenu par tout autre mouvement relatif des trois seringues produisant une surpression à l'intérieur du tube de stockage ts.The same result can moreover be obtained by any other relative movement of the three syringes producing an overpressure inside the storage tube ts.

Cette surpression provoque une éjection de l'échantil- lon qui est projeté par le trou tc et congelé dans une cuvette cu contenant du propane liquide ou tout autre liquide maintenu à basse température. On pourrait aussi projeter l'échantillon sur un support refroidi ou sur un support mobile juste avant congélation.This overpressure causes the sample to be ejected, which is projected from the hole tc and frozen in a bowl cu containing liquid propane or any other liquid kept at low temperature. The sample could also be projected on a cooled support or on a mobile support just before freezing.

L'invention n'est évidemment pas limitée aux exemples donnés de réalisation. The invention is obviously not limited to the examples given.

Claims

1. Apparatus for mixing a plurality of liquids of the kind comprising a plurality of syringes containing the liquids to be mixed and injecting these liquids into a network of tubes equipped with various devices ensuring various functions such as in particular mixtures, characterized in that each rod of piston of all the syringes that the apparatus comprises is a rod provided with means ensuring its controlled movement.

2. Apparatus for mixing a plurality of liquids of the kind comprising a plurality of syringes containing the liquids to be mixed and injecting these liquids into a network of tubes equipped with various devices ensuring various functions such as in particular mixtures, characterized in that each rod of piston (te, tr, ts, tq) of all the syringes (E, R, S, Q) that the apparatus comprises is a threaded rod screwed into a nut whose rotation is obtained by an electric motor of the stepping type (me, ms, mr, mq), all of these electric stepping motors being controlled by means known per se of electronic control (mp) according to any desired program of experiments.

3. Apparatus according to any one of claims 1 and 2, characterized in that it comprises in the network of tubes supplied by the various syringes a part of tube (ts) pierced with a small hole (tc) intended to eject part of the sample in freezing means (cu) when the respective control of the stepping motors (me, ms, mr, FIG. 5) causes an overpressure in this network of tubes.