FR2798867A1 - Dispositif de distribution de fluides dans un microsysteme fluidique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif pour injecter simultanément des quantités déterminées de fluides dans un microsystème fluidique. Selon l'invention, il comporte :- une nappe (502) de tuyaux déformables (501), de faible diamètre, chaque tuyau étant destiné à contenir un fluide à traiter et présentant une extrémité ouverte, reliée au microsystème fluidique, et- un moyen de mise en pression (504) des fluides à traiter afin de les pousser vers l'extrémité ouverte des tuyaux puis dans le microsystème fluidique.
Description
présente invention concerne un nouveau dispositif pour injecter simultanément des fluides dans un microsystème fluidique.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la microfluidique, en particulier pour la distribution d'échantillons de fluide tel que réactifs biologiques, biochimiques ou pharmacologiques.
Généralement, un microsystème fluidique comprend un ensemble de microcanaux d'une section pouvant aller du micromètre à quelques centaines de micrometres avec des longueurs variant du millimètre à plusieurs centimètres, un ensemble d'entrée-sortie pour alimenter en fluide les microcanaux, et un ensemble de chambre de réactions chimiques ou biologiques ou tout autre système intégré correspondant à des applications particulières.
désigne par "lab-on-a-chip" ou "wTAS : micro total analysis" un tel microsystème au sein duquel s'effectue des réaction biologique ou chimique.
Par exemple, on entend par réaction chimique ou biologique, des réactions de filtrage, de mélange, de cythométrie, de PCR ou encore d'électrophorèse.
La miniatuarisation de ces réactions dans les microsystèmes présente de nombreux avantages.
En effet, cela permet de minimiser les volumes d'échantillons et de réactifs utilisés et de ce fait de minimiser le coût de mise en oeuvre des reactions.
outre, cela permet de mettre en série plusieurs réactions dans un même système, par exemple en associant des étapes de PCR et de détection.
Cela permet également de mettre en parallèle un grand nombre d'analyses, ce qui permet d'accroître la capacité des laboratoires {en nombre d'analyses réalisées par jour par machine}.
Enfin, la miniaturisation des systèmes de réactions permet de les rendre portatifs.
Cependant, une des grandes difficultés de mise en ceuvre de tels microsystemes fluidiques réside dans l'alimentation en fluide de systèmes. Actuellement, toutes les solutions connues pour alimenter en fluide de tels microsystèmes fluidiques présentent plusieurs inconvénients.
Une première solution connue consiste à réaliser dans microsystème des puits qui débouchent sur les microcanaux. Chacun de ces puits constitue un réservoir de fluide. Selon solution, il faut tout d'abord remplir les réservoirs avec fluides à faire circuler. remplissage s'effectue soit manuellement, soit à l'aide robot, qui peut être par exemple un microdispenseur piézo-électrique.
Pour applications comportant un grand nombre de voies d'entree le temps de remplissage de chaque réservoir peut devenir alors important, ce est gênant dans le cas prélèvement précieux tels que des prélèvements biologiques, car les risques d'évaporation dans les puits sont importants.
Après remplissage des réservoirs, il faut encore assurer la circulation des fluides dans microcanaux du microsystème fluidique. Cela est réalisé à l'aide d'un pompage externe (par exemple pneumatique) ou interne.
Une telle solution nécessite alors l'utilisation de deux systèmes differents : un dispenseur (manuel ou robotisé) et un système de circulation du type pompe, ce qui entraîne des coûts de fonctionnement relativement importants.
Une autre solution connue pour alimenter en fluide les microcanaux d'un microsystème fluidique, consiste à utiliser une pousse-seringue, géneralement programmable fonctionnant à débit imposé.
Cependant, l'injection par pousse-seringue pose des problème lorsque le nombre d'injection en parallèle est supérieur à 10.
De plus, remplissage de 50 ou 100 pousse-seringues dans contexte industriel, où machines doivent être automatisées, nécessite de concevoir un robot de remplissage.
Enfin, certaines applications microfluidiques nécessitent de dégazer les fluides juste avant l'injection dans le microsystème, cette étape étant difficilement applicable au mode d'injection par pousse-seringue.
Une dernière solution connue pour alimenter un microsystème fluidique en fluide, consiste à utiliser une pompe péristaltique qui peut travailler avec 50 tubes. L'inconvénient majeur d'une pompe péristaltique est l'oscillation parasite des débits générée par le principe de pompage. Cela est incompatible avec certaines applications microfluidiques.
En effet, une petite oscillation du débit ou de la pression au niveau des tubes de la pompe peristaltique peut générer de grandes amplitudes d'oscillations de mouvement fluides dans les microcanaux du microsystème fluidique, ce qui est particulièrement gênant.
Pour éviter ces oscillations de débit, des pompes péristaltiques basées sur un principe d'arbre à cames ont été conçues. Toutefois, cela nécessite une machinerie complexe pour synchroniser la montée et la descente des cames de la pompe.
En outre, dans les microsystèmes fluidiques, les volumes utiles de fluide sont généralement très faibles (de l'ordre de quelques picolitres à quelques microlitres). Dans une pompe péristaltique, les volumes morts correspondent au moins aux volumes internes des tuyaux et suivant la distance entre le réservoir d'alimentation et le microsysteme, les volumes morts peuvent être alors supérieurs aux volumes utiles, ce qui limite ainsi l'intérêt de la miniaturisation.
Afin pallier aux inconvénients de l'état de la technique précite, la présente invention presente un nouveau dispositif pour injecter simultanément quantités déterminés fluides dans un microsystème fluidique, qui permet de controler le débit d'injection, sans générer d'oscillations parasites du débit ou de la pression, qui est facile à mettre en ceuvre et automatisable, qui permet la minimisation volumes morts, et présente un coût de fabrication faible quel que soit le nombre d'injections en parallele.
Plus particulièrement, le dispositif d'injection selon l'invention comporte - une nappe de tuyaux déformables, de faible diamètre, chaque tuyau étant destiné à contenir un fluide à traiter, et présentant une extrémité ouverte, reliée au microsystème fluidique, et - un moyen de mise en pression des fluides à traiter afin de les pousser vers l'extrémité ouverte des tuyaux, puis dans le microsystème fluidique. Préférentiellement, le moyen de mise en pression des fluides comporte un moyen d'écrasement des tuyaux avec un déplacement de la zone d'écrasement selon l'axe longitudinal des tuyaux vers l'extrémité ouverte.
Cet écrasement peur être réalisé avantageusement par un cylindre qui roule sensiblement sans glisser sur une surface supportant les tuyaux, l'axe-de rotation du cylindre étant sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal des tuyaux.
Selon ce mode de réalisation avantageux, la surface peut être une platine sur laquelle est disposée la nappe de tuyaux et le cylindre d'écrasement peut être alors fixé à un portique guidé en translation au moyen de paliers de guidage coulissant sur au moins tige montée solidaire de la platine et s'étendant le long de ladite platine, sensiblement parallèlement aux tuyaux.
Dans cas, le déplacement du cylindre peut être réalisé par l'intermédiaire d'un moteur électrique entraînant une vis sans fin vissée dans un écrou. Selon une variante de réalisation de l'invention, la surface supportant nappe de tuyau est la surface externe d'un rouleau dont l'axe de rotation est sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal des tuyaux.
Selon un autre mode de réalisation avantageux du dispositif selon l'invention, le moyen de mise en pression est constitué par une injection de fluide dans tuyaux par l'extrémité opposée à l'extrémité ouverte desdits tuyaux.
Lorsque le moyen de mise en pression des fluides dans le dispositif selon l'invention, comporte un moyen décrasement, celui-ci peut-être réalise un presseur-plan ou un presseur à surface cylindrique.
Avantageusement, l'invention propose également un procédé d'injection l'aide du dispositif précité, selon lequel on contrôle le volume de fluide injecté en fixant la longueur du déplacement de l'écrasement des tuyaux de la nappe, pour un diamètre déterminé desdits tuyaux.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés ' titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre à quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés - figure 1 est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif d'injection selon l'invention, - figure 2 est une vue schématique en perspective d'ensemble du dispositif représenté sur la figure 1, - figure 3 est une vue de principe, en coupe de côté, d'une variante de réalisation dispositif d'injection selon l'invention, - figure 4 est une vue de principe, en coupe de côté, d'une autre variante de réalisation du dispositif d'injection selon l'invention, - figures 5a à 5c sont des vues schématiques en perspective de trois autres modes de réalisation du dispositif selon l'invention, - figue 6 est une vue en coupe longitudinale du dispositif représenté sur la figure 5, - figure 7 et une vue en coupe transversale du dispositif représenté sur la figure 5. En référence tout d'abord aux figures 1 à 4, on a représenté un dispositif pour injecter simultanément des quantités déterminées de fluides dans un microsystème fluidique 3 schématisé sur les figures.
Un tel dispositif d'injection comprend essentiellement une nappe 7 de tuyaux déformables 1 de faible diamètre. entend par "déformables", déformables de façon élastique ou plastique, mais tout état de cause, sous une contrainte, notamment par écrasement, est possible de faire se toucher deux parties intérieures diamétralement opposées de chaque tuyau.
terme "nappe" est utilisé par analogie avec des connexions informatiques qui relient des cartes électroniques entre elles, lesquelles sont constituées par plusieurs dizaines de fils électriques collés côte à côte et se présentant sous forme d'une bande en génerale plate et large composée de plusieurs fils, pour désigner une bande plate et large composée non pas de fils mais de tuyaux.
Chaque tuyau 1 peut être réalisé avantageusement en matière polymère, en particulier en matière thermoscellable.
tuyaux 1 sont préférentiellement reliés entre eux au moins dans leur partie médiane par des ponts de matière continus ou discontinus, de façon telle que certains de ces tuyaux puissent être déplacés par rapport aux autres, ces ponts de matière étant réalisés également en une matière polymère, et de façon générale, on utilisera la même matière polymère pour réaliser les tuyaux et les éléments de liaison entre ces derniers.
lis sont parallèles et la distance entre chaque tuyau 1 est ici identique. Ils peuvent présenter une extrémité libre par rapport à la nappe 7.
Ces tuyaux 1 contiennent chacun un fluide à traiter. La matière polymère qui constitue les tuyaux est bien entendu inerte vis-à-vis du ou des fluide(s) contenu(s) dans les tuyaux. Il s'agira par exemple de polymère de type téflon@, polypropylène, polycarbonate.
Chaque tuyau peut être plus particulièrement rempli avec des fluides différents 2-1,2-2,<B>....</B> 2-n.
Ils présentent chacun une extrémité ouverte 4 reliée au microsystéme fluidique 3. L'autre extrémité 4' de chaque tuyau 1 de la nappe 7 peut être soit ouverte, soit fermée par thermoscellage par exemple.
Les dispositifs représentés sur les figures 1 à 4, comportent en outre un moyen de mise en pression des fluides dans les tuyaux, qui comprend ici un moyen d'écrasement des tuyaux 1 avec un déplacement de la zone d'écrasement selon l'axe longitudinal des tuyaux 1 vers l'extrémité ouverte 4.
Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, le moyen d'écrasement comprend deux presseurs à surface cylindriques 5 qui pincent entre eux les tuyaux 1 et se déplacent selon les flèches 6 pour pousser vers l'extrémité ouverte tuyaux les fluides à traiter, afin de les injecter dans microsystème fluidique notera ici que le moyen d'injection peut facilement être transformable en moyen d'aspiration en inversant le sens de déplacement du moyen d'ecrasement. notera aussi que le diamètre des tuyaux étant connu, est facile de controler précisément le volume injecté uniquement par la mesure longueur des déplacements du pincement ou de l'écrasement des tuyaux.
Selon le mode de réalisation du dispositif selon l'invention représenté plus particulièrement sur la figure 3, l'écrasement des tuyaux 1 de la nappe est réalisé à l'aide d'un cylindre 33 qui se déplace par rapport à la nappe, selon flèche 34, parallelement à l'axe des tuyaux 1. De préférence, le mouvement translation du cylindre 33 accompagne d'un mouvement de rotation autour de son axe de rotation 35. II roule alors sensiblement sans glisser sur une platine 32 supportant les tuyaux 1 en les écrasant, l'axe de rotation 35 du cylindre 33 étant sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal des tuyaux 1.
Sur figure 4, on a représenté une variante de réalisation du dispositif conforme a l'invention, selon laquelle les tuyaux 1 de la nappe sont pincés entre deux rouleaux 42 d'axes parallèles et perpendiculaires à l'axe longitudinal des tuyaux. Les rouleaux sont à axe fixe 44,45, et tournent en sens inverse par rapport à l'autre de sorte qu'ils provoquent alors le déplacement des tuyaux et donc le déplacement la zone écrasée par rapport aux tuyaux 1.
Si le microsystème fluidique 3 et les axes 44,45 des rouleaux sont fixes, il faut alors prévoir les tuyaux 1 soient initialement repliés pour autoriser déplacement des tuyaux rapport aux axes fixes des rouleaux. Ici, la surface cylindrique externe du rouleau inferieure 42 sert de surface-support des tuyaux 1 sur laquelle le rouleau supérieur roule sensiblement sans glisser.
Sur figures 5a à 7, on a représenté une réalisation concrète du dispositif selon l'invention, selon laquelle une nappe 502 de tuyaux 501 déformables, de faible diamètre, placée sur la surface plane d'une platine 503.
La nappe 502 de tuyaux 501 est similaire à celle décrite précédemment en référence aux figures 1 à 4 et ne sera pas ici redécrite dans le détail.
Ici, nappe 502 comporte trois groupes de tuyaux 501 de diamètres et de longueurs pincement différentes. L'écrasement de la nappe 502 est réalisé par l'intermédiaire cylindre 504 qui roule sensiblement sans glisser sur la platine 503 supportant tuyaux 501, en les écrasant.
aussi l'axe de rotation du cylindre 504 est perpendiculaire a l'axe longitudinal des tuyaux 501.
cylindre 504 est monté libre en rotation dans des paliers prévus dans un portique constitué par deux panneaux 505,506 verticaux positionnés part et d'autre de la platine 503 et reliés par une pièce de raccordement plane horizontale, s'étendant en dessous de la platine 503. Ce portique est guidé en translation au moyen paliers de guidage 601 coulissant sur au moins une tige 508 solidaire de la platine et s'étendant le long de ladite platine 503 sensiblement parallèlement aux axes tuyaux. Ici, il est prévu deux tiges parallèles 508,509 associees chacune à un panneau 505,506 du portique.
déplacement en translation du cylindre 504 s'effectue par deplacement en translation du portique réalisé par l'intermédiaire d'un moteur électrique 511, qui controle la rotation d'une vis sans fin 702, d'axe 510 vissée dans un ecrou 701.
nappe 502 de tuyaux 501 est reliée à une de ces extrémités à un microsystème fluidique schématisé par la plaque 512.
mouvement sans glissement du cylindre est obtenu grâce à un câble 513 tendu entre la platine 503 et le cylindre 504.
déplacement en translation du portique 505,506 provoque la rotation du cylindre 504 et le déroulement du câble 513.
On peut prévoir d'utiliser une nappe dans laquelle les tuyaux presenteraient des sections et donc des diamètres différents pour injecter des fluides ' des débits différents. On peut prévoir, un dispositif selon l'invention avec plusieurs nappes, ou encore avec une nappe de tuyaux de longueurs de pincement différentes comme cela est représenté sur la figure 5a.
Il est aussi possible de localiser la zone de pincement ou d'écrasement des tuyaux en usinant la platine 503 pour la munir d'au moins un évidemment 515 (figure 5b) disposé sous une partie de la nappe de tuyaux, permettant ainsi d'appliquer ou d'interrompre le pincement de ces derniers. Le début et l'arrêt l'injection des produits contenus dans ces tuyaux peuvent être commandés ou declenchés à des instants choisis qui peuvent être différents selon les produits à injecter par exemple. On peut aussi utiliser, pour atteindre le même but, une cale munie d'un ou plusieurs évidements 516 (figure 5c) et disposée entre la platine et la nappe de tuyaux. Differents modes de réalisation de cales 514 sont représentes sur la figure 5c.
II en resulte des portions variables de pincement suivant le position des tuyaux et la forme la cale, on obtient des cycles d'injection différents tuyau à l'autre. Le dispositif d'injection selon l'invention présente plusieurs avantages.
Tout d'abord, l'utilisation de nappe de tuyaux permet de preconditionner des fluides dans tuyaux. En effet, lorsque le remplissage des tuyaux est effectué, on peut éventuellement sceller les extrémités de chaque tuyau si envisage de stocker le fluide pendant un certain temps, mais il est également possible d'effectuer directement transfert du fluide dans le microsystème fluidique. Les tuyaux peuvent être étiquetés et congelés pour le stockage. Les tuyaux de la nappe peuvent être considérés comme du matériel consommable que l'on renouvelle lors d'une nouvelle injection. Le contrôle du débit d'un tel dispositif est assuré par le contrôle de la vitesse de déplacement de la zone écrasée. II est assez facile d'obtenir un déplacement continu de cette zone, ce qui permet de garantir des débits sans oscillations parasites. Un tel dispositif est simple à réaliser et à automatiser. nombre de tuyaux en parallèle de la nappe a peu d'influence sur le prix du dispositif.
La présente invention n'est nullement limitée aux modes de realisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.
Claims (1)
1. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écrasement est réalise par un presseur plan. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écrasement est réalise par un presseur à surface cylindrique (5). Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérise en ce que les tuyaux ;501) sont réalisés en matière polymère. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce les tuyaux (1 ;501) sont réalisés en matière thermoscellable. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caracterisé en ce que les tuyaux (1 ;501) sont reliés entre eux au moins dans leur partie mediane par des ponts matière. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 13,caractérise en ce que la nappe ;502) est réalisée en une seule matière polymère. <B>1</B> Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caracterisé en ce que les tuyaux (1 ;501) sont parallèles. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que distance entre chaque tuyau (1 ;501) est identique. 19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caracterisé en ce qu'au moins l'une des extrémités des tuyaux (1 ;501) est libre par rapport à la nappe. Procédé d'injection à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on contrôle le volume de fluide injecté en fixant la longueur du déplacement de l'écrasement des tuyaux de la nappe, pour un diamètre déterminé desdits tuyaux.
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