FR3060418A1 - Puce micro fluidique, systeme utilisant une telle puce et procede pcr pour la detection de sequences adn - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une puce micro fluidique, un système utilisant une telle puce et un procédé PCR pour la détection de séquences ADN. La puce est constituée d'un bloc de matériau dans lequel se trouve une cavité pouvant contenir au moins un fluide, cette cavité comportant au moins un orifice d'entrée et au moins un orifice de sortie, l'orifice d'entrée de fluide étant reliée à au moins deux canaux d'injection de fluide. Selon l'invention la puce comporte en outre au moins un canal micro fluidique de contournement de la cavité, relié par une première extrémité à l'un au moins des canaux d'injection de fluide, l'embranchement du canal de contournement sur le canal d'injection de fluide étant situé à une distance L de l'orifice d'entrée du canal d'injection de fluide, distance de préférence inférieure à deux centimètres.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 060 418 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 01823
COURBEVOIE © Int Cl8 : B 01 L 3/00 (2017.01), C 12 M 1/38, C 12 Q 1/68
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 19.12.16. | (© Demandeur(s) : ELVESYS Société par actions simpli- |
| (© Priorité : | fiée — FR. |
| @ Inventeur(s) : LEBERRE MAEL, PLESSIS ADRIEN | |
| et MINNELLA WALTER. | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 22.06.18 Bulletin 18/25. | |
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PUCE MICRO FLUIDIQUE, SYSTEME UTILISANT UNE TELLE PUCE ET PROCEDE PCR POUR LA DETECTION DE SEQUENCES ADN.
FR 3 060 418 - A1 (3// La présente invention concerne une puce micro fluidique, un système utilisant une telle puce et un procédé PCR pour la détection de séquences ADN. La puce est constituée d'un bloc de matériau dans lequel se trouve une cavité pouvant contenir au moins un fluide, cette cavité comportant au moins un orifice d'entrée et au moins un orifice de sortie, l'orifice d'entrée de fluide étant reliée à au moins deux canaux d'injection de fluide. Selon l'invention la puce comporte en outre au moins un canal micro fluidique de contournement de la cavité, relié par une première extrémité à l'un au moins des canaux d'injection de fluide, l'embranchement du canal de contournement sur le canal d'injection de fluide étant situé à une distance L de l'orifice d'entrée du canal d'injection de fluide, distance de préférence inférieure à deux centimètres.
Zone de sortie de fluide 206
Zone d'homogénéisation de sortie 205
Zone d'échange thermique 204
Zone d'homogénéisation d'entrée 203
Zone d'injection de fluide 201
Cavité
202
- i Puce micro fluidique, système utilisant une telle puce et procédé PCR pour la détection de séquences ADN.
L'invention concerne une puce micro fluidique constituée d'un bloc de matériau dans lequel se trouve une cavité pouvant contenir au moins un fluide, cette cavité comportant au moins un orifice d'entrée et au moins un orifice de sortie, l'orifice d'entrée de fluide étant reliée à au moins deux canaux d'injection de fluide.
îo Elle concerne également un système utilisant une telle puce pour le changement rapide de température d'échange thermique avec un échantillon contenant de l'ADN ainsi qu'un procédé PCR pour la détection de séquences ADN dans un échantillon.
Un état de la technique détaillé concernant les différents procédés et dispositifs de permettant la détection de séquences d'ADN dans un échantillon liquide en utilisant une réaction nécessitant des cycles de température répétés (que l'on appellera ci-après « cyclage » thermique d'échantillons ADN pour la réalisation d'une réaction de type « PCR » (« Polymerase Chain reaction» en anglais) ou plus simplement « cyclage thermique ») est décrit par exemple dans la demande de brevet W02009/105499.
Parmi ces procédés de cyclage thermique, certains utilisent avantageusement un liquide caloporteur que l'on fait circuler à proximité de l'échantillon pour contrôler sa température.
- 2 L'utilisation d'un liquide caloporteur permet d'obtenir une température de thermalisation de l'échantillon très homogène, car la convection limite l'apparition de gradients de température dans le liquide, contrairement aux solutions basées sur un chauffage local ou pompage local de chaleur avec un élément thermoélectrique, qui peuvent créer localement des gradients de températures. L'utilisation d'un liquide caloporteur permet également un transfert de chaleur vers l'échantillon très efficace car il ne dépend que de la proximité thermique de l'échantillon avec le liquide caloporteur et du coefficient de convection du liquide caloporteur qui peut être très important lorsque ce liquide est transporté dans des canalisations de faibles dimensions (canaux micro fluidiques). Par ailleurs, l'utilisation d'un liquide caloporteur permet d'obtenir rapidement un contrôle précis et homogène de la température d'un échantillon ayant un volume important (supérieur au microlitre) car quelle que soit sa taille, la température de l'échantillon tend rapidement vers la température du liquide caloporteur lorsqu'il est à proximité, contrairement aux systèmes basés sur l'injection d'une énergie thermique comme le chauffage par effet joule pour lesquels il est difficile de contrôler de manière homogène la température sur la seule base du contrôle de la puissance injectée. US-A-5508197 décrit la thermalisation de puits aux parois très fines contenant des échantillons de PCR. en faisant circuler successivement autour de ces puits des liquides caloporteurs
- 3 préalablement « thermalisés » (c'est à dire amenés à une température précise et homogène) à différentes températures, à l'aide d'une série de vanne qui redirige les liquides provenant de réservoirs thermalisés vers plusieurs échantillons. Ce système, qui permet un changement de la température de l'échantillon en environ 8 secondes, est limité en vitesse par le transfert de la chaleur à travers les puits et le volume de 15 pl de l'échantillon, dont la géométrie et la taille ne permettent pas un transfert plus rapide. Dans ce système, le volume de liquide utilisé pour thermaliser les échantillons est important (~150 mL), si bien que les débits de liquide sont importants (~10 L/min), les volumes de liquides dans les réservoirs doivent être importants (~25 L) pour assurer une bonne stabilité de la température. Ces contraintes de volume rendent le système encombrant et très consommateur d'énergie. De plus un tel système est difficilement transportable compte tenu de sa taille.
EP-A-2415855 décrit une réaction de PCR en faisant circuler successivement deux liquides caloporteurs à températures différentes pour thermaliser un échantillon dans un puit réalisé dans une feuille d'aluminium fine permettant d'obtenir avec une forme aplatie des puits, des changements de température très rapides (jusqu'à 0.3 s). Les volumes de liquide utilisés dans ce système restent importants, de l'ordre de plusieurs dizaines de millilitres et le débit également (plus de 60 mL/min) ce qui en
- 4 fait encore un système encombrant et consommateur d'énergie.
WO 2011/138748 décrit une puce micro fluidique et un système de régulation de la température d'un échantillon comportent une pluralité de canaux micro fluidiques disposés au fond d'une cavité de forme généralement parallélépipédique et comportant une paroi inférieure de faible conductivité thermique pour éviter les pertes thermiques lors de son utilisation et une paroi supérieure de forte conductivité îo thermique sur laquelle est déposée un échantillon à analyser, permettant un bon échange thermique entre le liquide caloporteur circulant dans les canaux et l'échantillon.
Le liquide caloporteur est injecté à travers un orifice d'entrée dans les canaux micro fluidiques et récupéré à travers un orifice de sortie à l'autre extrémité des canaux micro fluidiques. La température du liquide caloporteur est régulée en amont de l'orifice d'entrée à l'extérieur et à distance de la puce. Un exemple d'un procédé de fabrication d'une puce de ce type est décrit sur le site internet de la société ELVESYS à l'adresse
0 www.elveflow.com dans l'article intitulé « la micro fluidique et les puces micro fluidiques : Revue ».
Ce type de puce a été utilisé par les auteurs Houssin et al. d'un article publié en 2016 par « The royal society of chemistry 2016 » sous le titre « Ultrafast sensitive and large volume on25 chip real time PCR for the molecular diagnosis of bacterial and viral infections », dans lequel ils décrivent la mise en œuvre
- 5 d'un procédé de « cyclage » thermique pour réaliser une réaction de PCR qui n'est pas entièrement satisfaisant : le changement de température de l'échantillon est réalisé en faisant circuler alternativement dans la puce micro fluidique, qui contient une zone d'échange de chaleur avec l'échantillon, deux liquides caloporteurs thermalisés auparavant à l'aide de deux modules thermoélectriques (dispositifs à effet Peltier). Par échange thermique entre la puce et l'échantillon, on réalise cette alternance de température de l'échantillon liquide, permettant ainsi d'amplifier une séquence d'ADN présente dans l'échantillon.
Si ce système permet de réaliser des thermalisations rapides (de l'ordre de 2s. également) avec un débit de liquide faible (de l'ordre de 10 mL/min ou 160 pL/s), les performances de ce système restent limitées par le volume et la thermalisation des canalisations alimentant la puce. En effet, lorsque le liquide ne circule pas dans la puce, la température des canalisations (le diamètre d'une canalisation micro fluidique varie du micron à plusieurs centaines de microns) qui ont un faible volume, donc une faible inertie thermique, tend en quelques secondes vers la température ambiante. Lorsque le liquide circule à nouveau, il faut tout d'abord évacuer tout le liquide à température proche de l'ambiante qui se trouve dans la canalisation (ce qui d'après les expériences conduites par les inventeurs prend environ 0.5 seconde), puis « thermaliser » la canalisation, c'est à dire l'amener à une température stable, ce qui d'après les
- 6 expérimentations conduites par les inventeurs, prend de quelques secondes à quelques dizaines de secondes. Avant d'atteindre cette stabilité, la température du liquide injecté dans la puce est perturbée par le transfert de chaleur vers la canalisation. Ainsi, il faut environ deux secondes pour réaliser 95% du changement de température souhaité mais une dérive de la température pouvant atteindre plusieurs degrés est observée sur un temps plus long en fonction des conditions, typiquement de l'ordre de la dizaine de secondes. Cette dérive de température n'étant pas reproductible puisqu'elle dépend de la température de la canalisation avant le changement imposé de température, il n'est donc pas possible avec ce système d'obtenir un contrôle rapide et précis de la température d'un échantillon avec de petits débits permettant la miniaturisation du système et le rendant ainsi aisément transportable.
Les différentes solutions de changement de température rapide proposées dans l'art antérieur utilisant des liquides caloporteurs ne permettent donc pas à ce jour, un contrôle rapide de la température d'un échantillon(c'est à dire en moins de cinq secondes environ), précis, homogène, reproductible et peu consommateur d'énergie et utilisant un appareillage peu encombrant.
Pourtant, les besoins actuels de tests rapides d'orientation du diagnostic nécessitent de pouvoir réaliser des réactions telles que la PCR en quelques minutes dans un dispositif léger et peu
- 7 consommateur d'énergie, qui puisse fonctionner éventuellement sur le site (« on-site ») c'est à dire ayant d'une part une petite taille et pouvant éventuellement d'autre part être alimenté par une batterie.
Sachant qu'une analyse de type PCR nécessite entre 30 et 40 cycles de température dont la durée minimale pour chaque cycle est de l'ordre de 8 s, chaque seconde gagnée sur la durée du changement de température de l'échantillon est un gain significatif sur la durée totale de ce type de test.
Par ailleurs, la complexification des kits de détection moléculaires basés sur la PCR, notamment pour la détection multiplexe, impose le contrôle précis des températures aux différentes phases du cycle pour fonctionner correctement.
La puce micro fluidique, le système et le procédé selon l'invention permettent de résoudre le problème ainsi posé.
La puce micro fluidique selon l'invention est constituée d'un bloc de matériau dans lequel sont disposées successivement :
- une zone d'injection de fluide (201) comportant au moins un canal micro fluidique d’injection de fluide (4, 5),
- une cavité (202) de forme parallélépipédique ayant une face supérieure comprenant une zone d'échange thermique (204) munie d'une zone de thermalisation (22) de surface S au niveau de la face supérieure de la cavité, la zone de thermalisation (22) comprenant au moins un canal microfluidique (11) de circulation de fluide, cette cavité (202) étant
- 8 munie d'au moins un orifice d'entrée de fluide (10) issu de la zone d'injection de fluide (201) et d'au moins un orifice de sortie de fluide (30), entre lesquels s'étend la zone d'échange thermique (204) caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un canal micro fluidique (6, 7) de contournement de la cavité (202), relié par une première extrémité à l'un au moins des canaux micro fluidiques d'injection de fluide (4, 5), l'embranchement (8, 9) du canal de contournement (6, 7) sur le canal d'injection de fluide (4, 5) étant situé à une distance L de l'orifice d'entrée de fluide (10) de la cavité, la distance L entre chaque embranchement (8, 9) et l'orifice d'entrée de fluide étant telle que :
L<S/a
S étant la surface de la zone de thermalisation (22) de la face supérieure de la cavité (202) exprimée en m2 a étant un coefficient de correction égal à 0,005 m.
De préférence, L sera inférieure ou égale à 0,02 m, tandis que chaque canal d'injection de fluide sera de préférence relié à au moins un canal de contournement.
La puce comportera de préférence au moins deux canaux micro fluidiques d'injection du fluide (4, 5).
Selon un mode préférentiel de réalisation, la puce comportera le même nombre, de préférence deux, de canaux d'injection et de canaux de contournement, chaque canal de contournement étant relié à un seul canal d'injection.
- 9 Avantageusement, la cavité comportera une pluralité de canaux de circulation de fluides disposés parallèlement pour éviter la formation de bulles.
Selon un autre mode de réalisation la puce est caractérisée en ce que la cavité comporte en outre une zone d'homogénéisation d'entrée (203) située entre l'orifice d'entrée (10) et l'entrée de fluide (10 bis) dans les canaux micro fluidiques (11) de circulation de fluide correspondant à la zone d'échange thermique (204) de manière à homogénéiser notamment la vitesse du fluide avant son injection dans les canaux de circulation de fluide (11).
Cette zone d'homogénéisation d'entrée (203) pourra par exemple comporter un arbre d'homogénéisation créant une pluralité de chemins d'écoulement pour le fluide entre l'orifice d'entrée (10) et l'entrée de fluide (10 bis), ces chemins étant sensiblement de même longueur.
Selon une autre variante, la puce sera constituée par un bloc de matériau parallélépipédique dont la cavité (202) est fermée par une plaquette supérieure (41), solidaire ou indépendante des parois latérales de la cavité (202) cette plaquette (41) ayant une face supérieure destinée à être en contact avec l'échantillon et ayant de préférence une épaisseur inférieure à 0,002 m. La plaquette supérieure est soit intégrée à la puce, soit indépendante et rajoutée sur la puce lors de l'utilisation. Cette plaquette supérieure (41) pourra par exemple être en verre et/ou en métal.
- ίο Selon encore une autre variante, la cavité pourra comporter en outre une zone d'homogénéisation de sortie (205) située entre la sortie de fluide (30 bis) des canaux micro fluidiques (11) et l'orifice de sortie de fluide (30) de ia cavité (202), de manière à homogénéiser notamment la température du fluide avant son injection dans l'orifice de sortie (30) de fluide.
Selon un mode préférentiel de réalisation, la zone d'homogénéisation de sortie (205) comportera un arbre d'homogénéisation créant une pluralité de chemins d'écoulement pour le fluide entre la sortie de fluide (30 bis) des canaux micro fluidiques (11) et l'orifice de sortie de fluide de la cavité (30), ces chemins étant sensiblement de même longueur.
De préférence, l'épaisseur de la cavité (202) parallélépipédique sera inférieure à 0,001 m, de préférence inférieure ou égale à 500 micromètres.
Selon encore une autre variante, la puce comportera au moins une vanne disposée dans au moins un de ses canaux d'injection et/ou de contournement.
De préférence, une vanne distributrice à trois voies de type 3/2 est positionnée à l'entrée de la cavité permettant de commuter la source du liquide entrant dans la cavité entre deux entrées de liquides à températures différentes, tandis que deux vannes de type 2/2 situées respectivement sur les deux canaux de contournement permettent de fermer ces canaux lorsque le liquide d'un canal est orienté vers la zone de thermalisation
- il dans la cavité. Dans cette configuration, la voie commune (sortie) de la vanne 3/2 est reliée à l'entrée de la cavité et les deux autres voies (entrées) sont reliées respectivement aux canaux d'injection de fluide (4,5). Une vanne distributrice possédant n positions (n supérieur à deux) associée à n vannes de type 2/2 pourra être utilisée suivant le même schéma pour commuter la source de liquide entrant dans la cavité entre les canaux.
Selon une autre variante de réalisation, il est possible d'utiliser plusieurs vannes de type 3/2 positionnées sur les embranchements ( 8,9) permettant de rediriger le liquide en provenance des canaux d'injections (4,5) soit vers la cavité, soit vers les canaux de contournement (6,7). Dans cette configuration, la voie commune de chaque vanne de type 3/2 est reliée au canal d'injection de liquide (4,5) correspondant et les 2 autres voies de ces mêmes vannes sont reliés à la cavité d'une part et à la voie de contournement correspondante d'autre part.
Un autre mode de réalisation consiste à positionner des vannes 2/2 sur chacune des voies de contournement (6,7) et des portions de canal situés entre la zone de thermalisation (22) et les embranchements (21,24) de manière à pouvoir rediriger les liquides injectés soit dans la zone de thermalisation, soit dans les canaux de contournements.
Préférentiellement, les vannes sont intégrées à la puce. Pour cela, des vannes miniatures de type à montage sur embase
- 12 (par exemple des vannes de la série LVM09 du fabricant SMC) peuvent être montées directement sur la puce, ou des vannes à commande par pression ou par solénoïde peuvent être intégrées dans la puce de manière à minimiser la longueur des chemins fluidiques (21, 24) situés entre la zone de thermalisation (22) et les embranchements (8,9) avec les canaux de contournement.
L'invention concerne également un système microfluidique comportant une puce telle que décrite ci-avant, ayant de préférence un premier film conducteur thermique disposé audessus de la cavité et fermant celle-ci de manière étanche sur lequel est fixé, de préférence collé un porte échantillon destiné à recevoir le réactif de PCR mélangé à l'échantillon d'ADN à analyser
Le film de matériau conducteur de la chaleur pourra par exemple être disposé au moins partiellement sur la surface plane de la puce et maintenu, par exemple, sous pression sur celle-ci de manière à assurer l'étanchéité au niveau du liquide caloporteur au contact du film.
Selon une variante, le porte échantillon comportera un second film de matériau conducteur de la chaleur dans sa partie inférieure, destiné à être au contact du premier film.
De préférence, le système selon l'invention comportera également des moyens pour faire circuler au moins un liquide caloporteur sous pression dans les canaux.
- 13 Selon un mode préférentiel de réalisation, le système selon l'invention comportera des moyens pour faire circuler une pluralité, de préférence deux liquides caloporteurs à différentes températures dans les canaux d'injection et/ou les canaux de contournement et alimenter alternativement la cavité avec l'un de ces liquides tandis que les autres liquides caloporteurs, de préférence un seul, circuleront dans les canaux d'injection jusqu'à l'embranchement puis dans les canaux de contournement associés.
En règle générale mais sans que cela soit cependant nécessaire, l'alimentation alternative de la cavité par différents liquides caloporteurs s'effectuera en faisant varier les pressions respectives des liquides caloporteurs.
Selon une variante, l'alimentation alternative de la cavité par différents liquides caloporteurs s'effectuera à l'aide de vannes disposées dans les différentes canalisations.
L'invention concerne également un procédé pour réaliser une réaction de type PCR utilisant de préférence la puce décrite ciavant, avec ou sans le porte échantillon décrit ci-avant, dans lequel on place un échantillon d'ADN alternativement en contact thermique indirect avec au moins un premier et un second liquides caloporteurs à températures différentes circulant dans des canaux micro fluidiques et alimentant alternativement une cavité permettant un échange thermique avec l'échantillon, procédé dans lequel lorsque l'un des liquides est envoyé vers la cavité, l'autre liquide contourne la cavité et
- 14 vice-versa, les deux liquides pénétrant alternativement dans la cavité par une canalisation d'alimentation possédant un embranchement permettant au liquide d'aller soit dans la cavité, soit de contourner la cavité, la distance entre l'embranchement et l'entrée de la cavité étant inférieure à 0,02 mètre.
De préférence ce procédé utilisera une puce et/ou un système tels que décrit dans cette demande.
D'une manière générale, l'entrée et/ou la sortie de la cavité comporteront un réseau d'équilibrage des pressions (arbre d'homogénéisation) en entrée (et/ou en sortie) de la zone de thermalisation (échange de chaleur avec l'échantillon), constitué d'une succession de divisions du canal entre les orifices d'entrée et/ou de sortie et les entrées et/ou sorties de fluide des canaux de circulation de fluide de manière à ce que le chemin parcouru par le fluide entre les orifices et/ou les entrées/sorties de fluide/ donc la résistance à l'écoulement du fluide) soit sensiblement identique sur toute la distance séparant les orifices d'entrée et/ou de sortie de fluide. Cet arbre d'homogénéisation permet un flux sensiblement parallèle de fluide de vitesse homogène sur toute la surface S, ce qui permet une convection homogène sur toute la surface d'échange S permettant une vitesse, et plus précisément une cinétique (courbe de l'évolution dans le temps) du changement de température spatialement homogène.
- 15 Le matériau choisi pour réaliser la puce pourra être très varié dès lors que l'on peut créer le réseau de canaux nécessaire par usinage, moulage, à l'aide d'une imprimante 3D, etc...De préférence il pourra être choisi notamment parmi les polymères, tels que le PDMS ou le polycarbonate, la céramique, le verre et/ou une combinaison de ceux-ci.
Selon un mode préférentiel, le bloc constituant la puce comportera au moins une cavité dont les parois définissent une surface supérieure plane sur laquelle débouchent une pluralité de canaux de préférence disposés sensiblement parallèlement entre eux et constituant la cavité, tandis que, selon une variante de réalisation, la surface plane sera surmontée d'une plaquette mince ou d'un film de matériau bon conducteur de la chaleur, de préférence en métal ou en verre, de manière à fermer la cavité. Cette plaquette et/ou ce film seront soit solidaires des parois latérales de la cavité soit posés sur les bords supérieurs de ces parois et maintenus par pression et/ou par gravité de façon à être mobiles et séparables de la puce proprement dite.
Selon une autre variante de réalisation, la puce comportera au moins une vanne disposée dans au moins un de ses canaux. De préférence, elle comportera une vanne par canal d'alimentation en liquide et une vanne par canal de contournement. Bien entendu ces vannes ne sont pas nécessairement intégrées dans la puce et peuvent être localisées hors de la puce, dans les
- 16 canalisations d'alimentation de fluide ou dans les canalisations de contournement.
L'invention concerne également un système micro fluidique comportant une puce telle que décrite ci-avant, un premier film conducteur thermique disposé sur la cavité de façon à fermer celle-ci et un porte échantillon posé sur ce film (ou plaquette) destiné à recevoir l'échantillon d'ADN à analyser.
Selon une première variante, l'alimentation alternative de la cavité par différents liquides caloporteurs s'effectue en faisant varier les pressions respectives des liquides caloporteurs. Ainsi, lorsque les canaux d'alimentation en liquide caloporteur se rejoignent, avant l'entrée dans la cavité, c'est le liquide ayant la pression la plus élevée qui forcera le passage vers cette cavité, le ou les autres liquides se trouvant stoppés et détournés vers l'embranchement correspondant permettant leur circulation continue (avec ou sans retour vers les réservoirs d'alimentation en liquide caloporteur). En général, le liquide caloporteur qui pénètre dans la cavité s'écoulera simultanément dans le canal de contournement qui lui est associé.
Selon une seconde variante du système selon l'invention, l'alimentation alternative de la cavité par différents liquides caloporteurs s'effectuera à l'aide de vannes disposées dans les différentes canalisations.
On disposera alors généralement mais pas nécessairement, au moins une vanne dans chaque canal d'alimentation en liquide caloporteur, en aval de chaque embranchement, mais en
- 17 amont de l'embranchement entre les différents canaux d'alimentation en liquide caloporteurs lorsque ceux ci se rejoignent avant d'atteindre la cavité. Cette vanne pourra éventuellement être une vanne de type 3/2 située au niveau de l'embranchement et permettant, pour chaque canal d'alimentation, d'orienter le liquide soit vers le canal le contournement, soit vers la cavité.
Le système pourra également comporter de préférence plusieurs sources de liquides caloporteurs dont les températures respectives sont contrôlées indépendamment par des moyens de contrôle de la température du liquide caloporteur. Les sources de liquide caloporteur comportent en outre un moyen de circulation du liquide (pression, pompe, etc..), qui peut être disposé en amont ou en aval des moyens de contrôle de température.
Le système pourra également comporter des canalisations de transfert permettant de transporter le liquide caloporteur d'une source de liquide caloporteur aux entrées d'injection de la puce.
Les moyens de contrôle de la température du liquide caloporteur peuvent être constitués par un bain de liquide contrôlé en température ou un contrôleur de température en ligne utilisant, l'un et l'autre un système de chauffage à effet joule ou un dispositif thermoélectrique pour modifier la température du liquide circulant ainsi qu'un capteur de température permettant de contrôler la température
- 18 précisément en boucle fermée à l'aide d'un contrôleur (par exemple de type PID).
Préférentiellement, les moyens de circulation du liquide sont disposés en amont de la puce de manière à éviter un transfert de chaleur parasite entre les moyens de circulation et le liquide caloporteur, qui pourrait modifier de manière imprévisible la température du liquide avant qu'il ne pénètre dans la zone d'échange. Ces moyens de circulation peuvent être communs à l'ensemble des sources de liquide caloporteur. Ils peuvent être constitués par une source de pression permettant de pousser le liquide caloporteur dans un réservoir ou une pompe, qui permet avantageusement la recirculation du liquide.
Le système comportera en outre de préférence des moyens de commutation du chemin pris par le liquide caloporteur de manière à ce que chaque liquide caloporteur passe soit par la zone d'échange, soit par le canal de contournement.
Dans toute la description, les termes suivants auront en outre la signification suivante :
-Thermalisation d'un échantillon (ou thermaliser en général) signifie en modifier la température de manière à ce que la température de l'échantillon atteigne une température voulue. -Vitesse de changement de température d'un échantillon d'une température Tl à une température T2 différente de Tl, signifie le temps nécessaire pour que l'échantillon passe de la température Tl à une température effective T2eff tel que (T2T2eff)/(T2-Tl) < 5%.
- 19 -Un changement de température est dit reproductible si les profils de changement de température dans le temps pour deux changements de températures successifs peuvent se superposer quelque soient les conditions précédentes de changement de température (superposition sur l'axe des températures à 5% près du différentiel de température ou superposition sur l'axe du temps à 5% près de la vitesse de changement de température).
îo -Arbre d'homogénéisation signifie un réseau microfluidique, typiquement constitué d'une série de division d'un canal, permettant d'homogénéiser le débit suivant sur le grand axe de la section d'une chambre de taille importante par rapport à la taille d'une entrée (ou sortie) de liquide dans cette chambre.
II est important de noter que la zone d'homogénéisation ou arbre d'homogénéisation fait partie de la longueur L(autrement dit, que la zone d'échange thermique ou de thermalisation de surface S n'englobe pas les zones éventuelles d'homogénéisation)
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de 25 réalisation suivants donnés à titre non-limitatif conjointement avec les figures qui représentent :
- 20 la figure 1, un exemple de réalisation d'une puce micro fluidique selon l'invention,
- les figures 2a, 2b et 2c, une variante de réalisation de la puce de la figure 1, dans laquelle on a intégré des vannes de commutation de fluide,
- La figure 3, représente sur les figures 3a, 3b, 3c d'autres variantes de la puce associées à un porte échantillon îo contenant un échantillon à analyser, selon le système de l'invention,
Les figures 4a et 4b, deux variantes du système selon l'invention dans lesquelles les différents liquides caloporteurs circulent alternativement grâce à un ensemble de vannes (fig. 4a) ou grâce aux variations de pression imposées aux liquides (fig. 4b)
La figure 5, une autre variante du système selon l'invention dans laquelle tous les liquides des canaux de contournement sont récupérés dans le même récipient,
- La figure 6, une autre variante avec un système de thermalisation des liquides caloporteurs à l'aide de pompes,
Les 7a à 7d, une autre variante avec une puce de thermalisation représentée en trois dimensions et équipée des vannes miniatures de type à montage sur embase.
- 21 Les figure 8a et 8b, la réalisation d'un cycle de PCR et le signal de fluorescence obtenu.
Sur l'ensemble des figures, les mêmes éléments portent les mêmes références.
Sur la figure 1, est représentée schématiquement une puce micro fluidique 1 d'échange de chaleur entre les liquides caloporteurs lorsque ceux-ci sont injectés dans la puce et l'échantillon (ADN par exemple), non représenté sur cette figure, en contact avec la puce. La puce 1 est constituée d'un bloc de matériau en forme de parallélépipède ayant une face supérieure, comprenant une zone d'échange thermique 204 munie d'une zone de thermalisation (échange de chaleur) 22 de surface S (entourée d'un trait en pointillés sur les figures) vers laquelle convergent des canaux d'injection 4, 5 de liquide caloporteur.
La zone d'injection de fluide 201 comporte une canalisation 15 d'un premier liquide caloporteur reliée à la puce 1 par l'intermédiaire d'un premier port de connexion 2 tandis qu'une seconde canalisation 14 est reliée à la puce 1 par l'intermédiaire d'un second port de connexion 3. Les ports d'entrée 2 et 3 sont respectivement reliés aux canaux d'alimentation 4 et 5 se prolongeant respectivement jusqu'aux embranchements 8 et 9, auxquels sont reliés également respectivement les canaux de contournement 6 et 7 qui se prolongent respectivement jusqu'aux ports de sortie 16 et 17
- 22 permettant l'évacuation de liquide caloporteur vers les canalisations de contournement 18 et 19 respectivement, (les canaux d'alimentation peuvent être les canaux de contournement et vice-versa).
Chaque embranchement 8, 9 se prolonge par une portion de canal d'alimentation 20, 21 respectivement qui se rejoignent en leurs autres extrémités à l'entrée 10 de la cavité 202 pour introduire le liquide caloporteur dans la zone d'homogénéisation d'entrée 203 qui comporte un arbre d'homogénéisation du liquide 29a (afin de lui conférer une bonne homogénéité de débit à l'entrée de la zone de thermalisation 22). La zone d'échange thermique 204 comprend la zone de thermalisation 22 proprement dite, de préférence constituée d'une pluralité de canaux parallèles 11, de préférence régulièrement répartis sur sensiblement toute la largeur de la puce, dans la zone 22 destinée au contact avec l'échantillon à analyser. A l'autre extrémité de ces canaux 11, le liquide caloporteur est récupéré à la sortie 30 bis de la zone de thermalisation 22 (qui fait partie de la zone d'échange thermique 204 ) puis après passage dans la zone d'homogénéisation de sortie 205 comportant un arbre d'homogénéisation 29b semblable de préférence à celui 29a disposé dans la zone d'homogénéisation d'entrée 203, est récupéré au niveau de la zone de sortie de fluide 206 via le port de connexion 12 de la puce 1 dans la canalisation de sortie
- 23 13 (les canalisations 13z 14, 15, 18 et 19 ne font pas partie dans cet exemple de la puce 1).
Selon une variante de réalisation, on prévoit une sortie indépendante par liquide à différentes températures, par exemple à l'aide d'une ou plusieurs vannes après le port de connexion 12 permettant d'orienter le liquide dans différents réservoirs afin de limiter le mélange entre les liquides de différentes températures). Chaque canal d'injection 4, 5 comporte un embranchement 8, 9 vers une sortie 16, 17 de îo liquide supplémentaire permettant de faire circuler le liquide caloporteur en continu dans la canalisation 18, 19 en amont de la puce 1 et stabiliser ainsi la température de ce liquide afin d'éviter de créer des perturbations dues au changement de température de liquide caloporteur.
La distance L entre les embranchements 8 et 9 et la zone de thermalisation 22 dépend des caractéristiques thermiques de la puce et doit être tel que :
L<S/a
S étant la surface de la face supérieure de la cavité (202) exprimée en m2, a étant un coefficient de correction égal à 0,005 m.
De cette manière, l'effet transitoire des matériaux entourant le liquide de thermalisation en amont de la zone de thermalisation n'est pas suffisant pour empêcher un changement de température reproductible comme défini auparavant.
- 24 Ainsi pour un débit de liquide caloporteur de préférence de l'ordre de 10 mL/min (1.6e-7 m3/s), cette distance L entre les embranchements 20 et 21 et l'entrée de fluide 10 bis de la zone de thermalisation 22 sera de préférence inférieure à 2 cm.
La figure 2A représente une variante de réalisation de la puce de la figure 1, dans laquelle on a intégré des vannes de commutation de liquide 23, 24, 25 et 26 permettant à chaque liquide issu des canalisations 14 et 15 de passer soit dans les canaux 11 soit dans le canal de contournement 6, 7 prévu à cet îo effet.
Ainsi lorsqu'on ferme la vanne de commutation 23 et que l'on ouvre simultanément la vanne 24, le liquide issu de la canalisation 15 est alors envoyé dans la canalisation de contournement 18. Simultanément (si on le souhaite) le liquide issu de la canalisation 14, si l'on ouvre la vanne 25 et que l'on ferme la vanne 26, va pouvoir pénétrer dans la puce et après homogénéisation, va pénétrer dans les canaux 11 pour réaliser la thermalisation de l'échantillon ADN qui sera mis au contact de la puce.
Sur les figures 2B et 2C sont respectivement représentés un détail agrandi d'un exemple de réalisation d'une vanne à commande pneumatique intégrée à la puce en position d'ouverture (fig. 2B) et de fermeture (fig.2C) sous l'action d'un signal de commande.
De manière connue en soi (Unger et al. Science 288:7, 113, 2000), chaque vanne consiste par exemple en une membrane
- 25 28 qui en position de repos (P=0, fig. 2B) est ouverte et qui est fermée lorsqu'elle est activée par injection d'un gaz de commande sous pression (fig. 2C) qui vient coller cette membrane 28 sur la partie opposée TJ de la canalisation sur laquelle elle est fixée.
La figure 3A représente une vue de dessus de la puce de la figure 1, sur laquelle on a représenté quelques détails de réalisation additionnels notamment au niveau des arbres d'homogénéisation 29 a et b. Chaque arbre possède un premier iq embranchement à proximité de l'entrée 10 ou de la sortie 30 divisant le canal d'entrée ou de sortie de fluide en deux canaux latéraux 31 et 32 qui se divisent une seconde fois au niveau des embranchements 34 et 35 ce qui permet l'homogénéisation du débit de liquide le long de la grande section de l'entrée 10 bis et de la sortie 30 bis de la zone de thermalisation 22. Cette homogénéisation résulte du fait que chaque extrémité des branches des arbres formées par les canaux latéraux est à égale distance de l'entrée ou de la sortie de liquide ce qui confère à ces différents chemins une résistance à l'écoulement équivalente.
Les figures 3b et 3c représentent des vues en coupe selon A-A de la puce 1 surmontée d'un porte échantillon (non représenté sur la figure 3a)
Sur la première variante de la figure 3b, est représentée la puce 1 réalisée dans un bloc parallélépipédique 40 de matériau polymère(ici de hauteur 5 mm) tel que du polydiméthylsiloxane
- 26 (PDMS) dans la partie supérieure duquel se trouvent une pluralité (sept sur la figure) de canaux parallèles 11 (de section rectangulaire) débouchant à la surface de la puce 1, d'une profondeur de 100 microns dans cet exemple de réalisation, ces canaux ayant une largeur de préférence comprise entre 1 et 2 mm, chaque canal 11 étant séparé du canal voisin d'une distance de préférence inférieure à la distance de la surface de la puce à l'échantillon (soit environ 170 microns dans cet exemple, correspondant à l'épaisseur de la lame de verre 41). La lame de verre 41 (ou tout autre matériau permettant un bon transfert de chaleur entre le liquide caloporteur qui circule dans les canaux 11 en utilisation) supportant l'échantillon est appliquée sur les canaux 11 afin de fermer ceux ci de manière de préférence étanche, tandis que la face supérieure de cette lame 41 est traitée localement à l'aide d'un traitement à base de polyéthylène glycol (PEG) permettant d'éviter l'adsorption de l'ADN sur la surface en verre, par exemple plus particulièrement à l'aide d'un copolymère polylysine-polyéthylène glycol qui possède une bonne capacité d'adsorption sur le verre. Tout autour de la zone ainsi traitée 42 s'étend une couronne de silicone 43 formant récipient porte échantillon 45, qui après introduction de l'échantillon est fermée à l'aide d'un film 44 , par exemple en matière plastique (ici un film de polypropylène de 100 microns d'épaisseur). Dans cette version, l'ensemble puce et porte échantillon est de préférence scellé, l'ensemble étant jeté après utilisation.
- 27 Sur la seconde variante de la figure 3c , les canaux 11 sont fermés à l'aide d'une feuille d'aluminium 41 de 300 microns d'épaisseur, sur laquelle repose le porte échantillon composé d'une pièce de serrage 48 en forme de couronne pour maintenir le film 41 sur les canaux de manière étanche, au fond de laquelle est placé un film d'aluminium 42 (dans cet exemple identique au film 41) supportant une pièce porte échantillon 43 en polycarbonate munie d'une cavité de hauteur 200 microns dont le fond est constitué par le film 42 et de ports de remplissage 47 qui sont fermés par un film adhésif polyester/silicône 46 dans cet exemple. L'ensemble 42, 43, 46, après remplissage et test de l'échantillon peut être jeté, le reste pouvant être réutilisé.
Les films de séparation 41 et 42 entre le liquide caloporteur et l'échantillon sont d'une manière générale réalisés dans un matériau conducteur de la chaleur dont le rapport conductivité thermique/épaisseur (lambda/e) est supérieur à 1000 Wirt1 et dont le rapport diffusivité thermique sur épaisseur au carré (D/e2) est supérieur à 2 s1 [A titre d'exemple, une lamelle de verre de 500 pm répond à ces critères , ce qui correspond à la limite raisonnable en terme de conductivité et diffusivité pour obtenir un changement de température en quelques secondes]. Le débit de liquide caloporteur par unité de surface à thermaliser (surface de la zone d'échange) nécessaire à la thermalisation de l'échantillon sera de préférence inférieur à 30 mL.min^cm'2
- 28 La figure 4 décrit deux variantes d'utilisation de la puce et de son système décrits sur les figures 1 à 3, pour réaliser le « cyclage » thermique nécessaire dans une analyse de type PCR grâce à des liquides caloporteurs de températures différentes successivement circulés dans les canaux 11 de la puce, en contact thermique avec l'échantillon. Pour cela, le système de la figure 4 dispose de moyens de commutation du chemin suivi par le liquide caloporteur de manière à ce que pour chaque liquide caloporteur, celui-ci passe soit par les canaux 11 de la zone de thermalisation 22, soit par un canal de contournement. Plusieurs configurations sont possibles pour réaliser cette commutation.
Par exemple, selon la variante de la figure 4a, on utilise des vannes de commutation pneumatiques, par exemple intégrées dans la puce (comme représenté sur la figure 3), disposées en amont de la zone de thermalisation 22 avec l'échantillon et sur les deux embranchements de circulation, permettant de diriger le liquide sortant de la source 60 de liquide caloporteur, s'écoulant dans le canal 61, les moyens de thermalisation 62 du liquide caloporteur (pour amener le liquide à bonne température), le canal 63, soit vers la zone d'échange 67 par l'intermédiaire de la vanne ouverte 64 (et la vanne fermée 65)
- 29 et le canal 66, soit vers le canal de contournement 68, par l'intermédiaire de la vanne 65 ouverte (et de la vanne 64 fermée reliée à l'embranchement 69 à la vanne 65). Lorsqu'une vanne 64 est ouverte permettant au liquide caloporteur de la branche de circuler, toutes les autres vannes 64 sont fermées (sauf exception) tandis que la vanne 65 (de la branche dont la vanne 64 est ouverte) est fermée, toutes les autres vannes 65 étant ouvertes pour permettre le contournement de la puce 1. Ces vannes pneumatiques vont obturer les canaux micro fluidiques concernés à l'aide d'un gaz sous pression appliqué sur une membrane déformable positionnée au-dessus du canal (voir les figures 2B et 2C) comme il est d'usage courant dans les puces microfluidiques réalisées en élastomère comme le PDMS.
Selon la variante de la figure 4b, on utilise des sources de liquide caloporteur indépendantes et à pression variable. Pour cela, la pression du liquide caloporteur transféré à la zone d'échange 22 doit être plus élevée que la pression des autres liquides caloporteurs. La pression des autres sources doit être dimensionnée, de manière connue en soi, en fonction de la résistance à l'écoulement des différentes branches du circuit de manière à ce que cette pression soit suffisamment faible pour éviter tout transfert de liquide dans la zone d'échange en provenance de ces sources. Cette solution nécessite cependant un réglage fin des pressions des différents liquides caloporteurs pour obtenir un fonctionnement correct.
- 30 Avantageusement, quelle que soit la variante utilisée, le liquide caloporteur peut être re-circulé par exemple de manière indépendante pour chaque source à l'aide de pompes. Cela permet de limiter la consommation énergétique nécessaire au contrôle de température de chaque source en réutilisant le liquide caloporteur préalablement thermalisé. Pour cela, on peut par exemple utiliser une pompe volumétrique à piston ou à engrenage qui permet d'assurer un débit de liquide caloporteur constant pour chaque source ce qui rend plus aisé un contrôle précis de la température (par exemple des pompes en céramique qui peuvent supporter des températures élevées). D'une manière générale en effet, tous les matériaux et appareillages utilisés dans le cadre de la présente invention sont généralement prévus pour pouvoir supporter (et fonctionner à) des températures d'au moins 100°Celsius lorsqu'on veut réaliser des analyses de type PCR.
Pour ce faire, chaque embranchement de circulation est redirigé de préférence vers la source de liquide caloporteur dont il provient et la sortie de la zone d'échange peut être distribuée vers l'ensemble des sources. La sortie de la puce peut être également redirigée vers sa source d'origine, mais dans ce cas, il est nécessaire d'ajouter une vanne pour rediriger le liquide vers le réservoir, (voir figure 6).
Un réservoir pourra également être inséré dans le circuit en amont de la pompe pour assurer un bon remplissage du circuit en liquide caloporteur. Dans certaines configurations, les débits
- 31 peuvent ne pas être équilibrés dans les différentes voies du circuit et certains réservoirs peuvent se remplir plus vite que d'autres. Il peut être alors avantageux de faire communiquer les réservoirs entre eux par la canalisation 121 (figure 6) de manière à ce que leurs niveaux s'équilibrent, ce qui a également l'avantage de pourvoir remplir l'ensemble des réservoirs à partir d'une unique ouverture. Avantageusement, ces réservoirs pourront avoir un volume inférieur à 20 ml, permettant un faible encombrement, une capacité thermique îo réduite et de faibles pertes thermiques.
Deux exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits à l'aide des figures 5 et 6 :
Exemple 1 :
Sur la figure 5, un premier générateur de gaz sous pression 80 engendre un gaz comprimé (air et/ou gaz inerte tel que azote et/ou argon.) qui s'écoule via la ligne 84 dans le ciel gazeux 89a du réservoir 87 d'un premier liquide caloporteur 89b. Un second générateur de gaz sous pression 81 engendre un gaz comprimé (de préférence le même que le premier générateur) qui s'écoule via la ligne 85 dans le ciel gazeux 90a du réservoir 88 d'un second liquide caloporteur 90b. Les deux liquides 89b et 90b sont injectés respectivement par la pression exercée par les ciels gazeux respectifs, dans les canalisations respectivement 91 et 92 jusqu'aux ports d'entrée respectifs 93 et 94 de la puce 1, du type décrit sur les figures 1 à 3. Les flux de liquides se rencontrent à l'embranchement 98 situé
- 32 sensiblement à l'entrée de la zone d'échange 95 dans laquelle circuleront alternativement l'un ou l'autre des liquides caloporteurs. Lorsque la pression d'un liquide est supérieure à celle de l'autre (d'au moins 40%, de préférence d'au moins 42%, mais moins de 55% pour ne pas créer de reflux de ce liquide sur l'autre voie. Ces valeurs minimales et maximales sont dépendantes de la géométrie de la puce et de la température du liquide à injecter. Elles sont déterminées expérimentalement par imagerie thermique ou modélisation de manière à obtenir les écoulements voulus comme décrit plus bas), c'est ce liquide qui va pénétrer dans la zone d'échange ainsi que dans le canal de contournement qui lui est associé, tandis que l'autre liquide continue à circuler dans le canal de contournement qui lui est associé (96 pour le premier liquide 89b, 97 pour le second liquide 90b). A l'embranchement 99 à la sortie de la puce où convergent les canalisations 96 et 97, les liquides sont dirigés vers le port de sortie 100 et s'écoulent par la canalisation 101 vers le récipient de récupération 102 qui contient un mélange de liquides 103b. L'alternance des liquides dans la zone d'échange 95 et les variations de température dans cette zone sont pilotées par le système de pilotage 83. Les canalisations 96 et 97 permettent de faire circuler les liquides en continu. De cette manière, la distance entre l'embranchement 98 et l'entrée de la chambre 95 peut rester selon l'invention, inférieure à la valeur définie ci-dessus pour L. Dans le présent exemple du système selon l'invention, les
- 33 générateurs de gaz dont la pression est contrôlée par ordinateur (par exemple les systèmes de la société ELVESYS vendus sous la dénomination commerciale « Elveflow OBI mk3 ») sont utilisés comme moyen de circulation qui mettent sous pression les deux réservoirs 87 et 88 contrôlés en température avec un module thermoélectrique. Les pressions des gaz délivrés sont réglées suivant deux configurations permettant d'obtenir un contrôle en température de l'échantillon ADN (ou autre) suivant deux températures distinctes. Dans la première configuration, la pression du gaz délivré par le deuxième générateur 81 est au moins 1,5 fois plus élevée que la pression du gaz délivré par le premier générateur 80 (déterminées expérimentalement par imagerie thermique ou modélisation de manière à obtenir les écoulements voulus comme décrit plus bas), si bien que le liquide 89b contenu dans le réservoir 87 à une première température est circulé uniquement dans le canal de contournement 96 alors que le liquide 90b contenu dans le réservoir 88 à une seconde température est circulé dans le canal de contournement 97 et dans la zone d'échange 95. Dans cette configuration, l'échantillon est donc très rapidement amené à la seconde température par échange thermique indirect avec le second liquide caloporteur 90b Le rapport précis entre les pressions de chaque générateur dépend de la géométrie précise de la puce, des températures des liquides caloporteurs qui affectent leur viscosité et de la voie
- 34 sélectionnée pour être circuler dans la zone d'échange. Les valeurs précises de ces pressions peuvent être déterminées expérimentalement par imagerie thermique de la face conductrice thermique de la puce qui permet d'imager la température des liquides circulants respectivement dans les voies 4, 5, 95, 96 et 97 à travers la couche conductrice thermique. Pour cela, les valeurs de pression des générateurs doivent être ajustées pour chaque source de liquide (chaque température) pouvant être circulée dans la zone d'échange (deux, dans le cas présent). Pour chaque source de liquide circulé, le bon équilibre de pression est atteint lorsque l'imagerie thermique fait apparaître que la totalité de la surface de la zone d'échange 95 est à la température voulue et que la voie de contournement 96 ou 97 est bien à la température du liquide qui doit passer dans celle-ci. Il est également possible de prédire ces pressions par une modélisation hydrodynamique en prenant en compte les paramètres géométriques et de dépendance de la viscosité du liquide caloporteur à la température.
Inversement, dans la seconde configuration, la pression du gaz délivré par le premier générateur 80 est plus élevée (dans les mêmes conditions qu'expliqué ci-dessus) que la pression du gaz délivré par le second générateur 81 si bien que le liquide 90b contenu dans le réservoir 88 à une seconde température est circulé uniquement dans le canal de contournement 97 alors que le liquide 89b contenu dans le réservoir 87 à une
- 35 première température est circulé dans le canal de contournement 96 et dans la zone d'échange 95. Dans cette configuration, l'échantillon est donc très rapidement amené à la première température par échange thermique indirect avec le premier liquide caloporteur 89b.
À tout moment, du liquide caloporteur circule dans les canalisations notamment 91, 92, 96, 97, si bien que le changement de température dans la zone d'échange est rapide (inférieur à 5s), reproductible et la température de l'échantillon peut être contrôlée de manière précise, même lorsqu'on utilise de faibles débits de liquide caloporteur, par exemple des débits inférieurs ou égaux à 10 ml/min.
Un tel système peut être utilisé pour réaliser des réactions de PCR, mais également des observations sur des échantillons biologiques vivants. Avantageusement, l'utilisation d'un module thermoélectrique permet de contrôler la température de l'échantillon à des températures inférieures à la température ambiante. Cette possibilité peut être utile pour étudier des phénomènes physiques, chimiques ou biologiques tels que la dynamique de polymérisation des microtubules au sein des cellules vivantes, qui nécessite de thermaliser les cellules à des températures inférieures à 5°C.
- 36 Selon une autre variante de réalisation, les canaux d'injection 63 peuvent se rejoindre en un unique canal avant les embranchements 69 (voir fig. 4) comme c'est le cas sur la figure 5. Le transport du liquide dans les puces microfluidiques étant laminaire (absence de turbulence), les liquides dans le canal unique 63 ne se mélangent pas et conservent leurs températures respectives jusqu'aux embranchements 69 ou ils peuvent être séparés de nouveau entre le canal de contournement 68 et le canal 66 qui conduit le liquide à la zone îo de thermalisation 67
En règle générale, La hauteur de la zone de thermalisation 22 sera inférieure au millimètre, de préférence inférieur à 400 pm, ce qui permet un coefficient de convection élevé et un temps de renouvèlement faible du liquide caloporteur dans la puce pour de faibles débits d'injection dans la puce.
Exemple2 :
Dans cet exemple correspondant à la figure 6, la puce micro fluidique 1 de contrôle de température comporte une cavité de forme sensiblement parallélépipédique dont la face supérieure correspondant à la zone de thermalisation 22 a une surface S de 1 cm2 et une hauteur de 300 pm. Elle comporte 5 ports 2, 3, 16, 17, 12 (comme sur la figure 1) et permet de commuter deux liquides caloporteurs 112 et 114 à températures différentes entre la zone d'échange thermique 22 et deux embranchements de circulation à l'aide de quatre vannes
- 37 intégrées 23, 24, 25 et 26 comme montré sur les figures 1 à 3. Elle est réalisée en PDMS par moulage et collée sur une feuille d'aluminium de 300 pm d'épaisseur à l'aide d'une colle photoactivable (par exemple la colle vendue sous la dénomination commerciale « loctite 3922 ») sur laquelle est mis en contact thermique le porte échantillon. La puce est alimentée par deux réservoirs 110 et 111 de liquide caloporteur respectivement 112 et 114 reliés chacun à une pompe volumétrique 116, 117 fournissant un débit de 10 ml/min quelle que soit la pression îo dans le circuit et un dispositif de thermalisation en ligne du liquide caloporteur comportant un corps en aluminium permettant un échange thermique important entre ce corps et le liquide, un élément de chauffe à effet joule en céramique en contact avec le corps (tel que ceux commercialisés par la société Thorlabs), une sonde de température miniature (telle que commercialisée par la société Radiospares sous la dénomination »PT100 » ) et une carte électronique de contrôle de température munie d'un système de contrôle PID permettant d'asservir la température du corps à l'aide de la sonde de température.
Les deux réservoirs 110 et 111 sont disposés respectivement en amont des pompes 116, 117 de manière à servir de réserve de liquide. Les niveaux des réservoirs peuvent être ajustés entre eux par un système de vases communicants. En outre, une vanne 118 de type « 3/2 » permet de rediriger le liquide sortant de la puce par la canalisation 13 vers le réservoir 110
- 38 ou 111 alimentant le contenu de la zone de thermalisation 22, sous le contrôle d'un système de pilotage non représenté sur la figure, contrôlé par un ordinateur ordonnançant les différentes vannes selon le liquide et la durée souhaitée d'injection.
Pour réaliser une analyse de type PCR avec un système tel que décrit sur cette figure 6, on utilise de préférence une cartouche composée d'une chambre micro fluidique parallélépipédique de 20 pl, ayant une surface de 1 cm2 et une hauteur de 200 pm, îo par exemple moulée dans une pièce en polycarbonate collée (au niveau des micro canaux 11) sur une feuille d'aluminium de
200 pm d'épaisseur : cette chambre est remplie du mélange réactif de PCR et de l'échantillon à analyser (voir pour plus de détails concernant la procédure décrite dans l'article de Houssin et al. cité ci-dessus). Cette cartouche est mise en pression contre la feuille d'aluminium de la puce de thermalisation pour réaliser un bon contact thermique. On peut également réaliser une analyse de type PCR en temps réel dans les mêmes conditions que dans l'article de Houssin et al. en plaçant sous la puce une chambre permettant de recevoir le réactif tout en mesurant la fluorescence. L'échantillon est tout d'abord thermalisé à 95°C pendant 30 s en faisant circuler le liquide caloporteur thermalisé à 95°C par le contrôleur de température en ligne alors que le liquide caloporteur thermalisé à 65°C est redirigé vers l'embranchement de circulation. Pour ce faire, la vanne 24 positionnée sur l'embranchement de circulation de la
- 39 source de liquide caloporteur à 95°C ainsi que la vanne 25 de transmission du liquide vers la zone d'échange en provenance de la source 111 à 65°C sont fermées. D'autre part, la vanne 26 positionnée sur l'embranchement de circulation de la source de liquide caloporteur à 65°C ainsi que la vanne 23 de transmission du liquide vers zone d'échange en provenance de la source à 95°C sont ouvertes. La vanne 118 de redirection du liquide sortant de la zone d'échange est positionnée de manière à rediriger le liquide sortant de la chambre vers la canalisation îo 120 et le réservoir 110 situé en amont du système de thermalisation à 95°C.
Ensuite, 40 cycles de variation de température entre 95°C et 65°C, avec une alternance de 5 s. sont réalisés de manière à amplifier l'ADN contenu dans l'échantillon par la réaction de is PCR. Pour cela, l'état des vannes 23, 24, 25, 26 et 118 est inversé toute les 5 s.
Exemple 3 :
Dans cet exemple correspondant aux figures 7a à 7d, la puce micro fluidique 1 de contrôle de température comporte une cavité de même géométrie que l'exemple 2. Elle comporte 4 ports 2, 3, 16, 17 et permet de commuter deux liquides caloporteurs 112 et 114 à températures différentes entre la zone d'échange thermique 22 et deux embranchements de circulation à l'aide de quatre vannes intégrées 23, 24, 36 et 37.
Elle est réalisée dans une pièce en polycarbonate formée d'un sandwich de 2 pièces en polycarbonate micro-usiné (par CNC),
- 40 puis collées par fusion à chaud ou assisté par un solvant par les méthodes bien connue de la plasturgie ce qui permet de réaliser des canaux à l'intérieur de la pièce en polycarbonate évitant leur contact avec la couche en aluminium ce qui limite les échanges thermiques parasites avec la zone de thermalisation (22). A la surface de cette pièce en polycarbonate sur la cavité 202 est fixée (de préférence collée) une feuille d'aluminium 41 de 500 pm d'épaisseur par pressage qui permet de sceller la cavité et assurer l'échange thermique avec l'échantillon. Avantageusement, cette feuille d'aluminium ne recouvre pas de préférence toute la surface de la puce, mais uniquement la zone de thermalisation 22, (en débordant légèrement de celle-ci) afin de limiter les pertes thermiques par conduction le long de la feuille. Les vannes 24, 26, 36, 37 utilisées sont des vannes miniatures de type à montage sur embase fixées directement sur la puce afin d'éviter toute canalisation hors de la puce. La puce est alimentée par deux réservoirs et deux pompes suivant un schéma identique à celui de l'exemple 2 à la différence près que la vanne 118 de l'exemple 2 est remplacé par une vanne 37 intégrée dans la puce et que les voies de recirculations 119 et 120 sont partiellement intégrées dans la puce, ce qui a l'avantage d'être moins encombrant, moins cher à réaliser, de limiter les déperditions de chaleur et d'augmenter la fiabilité du système par la diminution du nombre de connecteurs fluidiques.
- 41 En outre, une vanne 36 de type « 3/2 » qui remplace les vannes 23 et 25 de l'exemple 2 permet de commuter la source de liquide entrant dans la puce par les entrées 2 et 3 vers la zone de thermalisation 22, ce qui permet de minimiser la distance L par l'utilisation d'une unique vanne à encombrement réduit positionné au plus proche de l'orifice d'entrée du fluide 10. L'ensemble est contrôlé par un ordinateur ordonnançant les différentes vannes selon le liquide et la durée souhaitée d'injection.
îo Pour réaliser une analyse de type PCR avec un système tel que décrit sur cette figure 7, on utilise de préférence une cartouche telle que décrite dans l'exemple 2. L'échantillon est tout d'abord thermalisé à 95°C pendant 30 s en faisant circuler le liquide caloporteur thermalisé à 95°C par le contrôleur de température en ligne alors que le liquide caloporteur thermalisé à 65°C est redirigé vers l'embranchement de circulation. Pour ce faire, la vanne 36 positionnée de manière à faire circuler le liquide en provenance de la source de liquide caloporteur à 95°C entrant par l'entrée 2, alors que la vanne 24 est en position fermée de manière à bloquer la recirculation du liquide à 95°C par sa voie de contournement. Dans le même temps, la vanne 26 est ouverte pour permettre la recirculation du liquide à 65°C par sa voie de contournement et la vanne 37 est positionnée de manière à ce que le liquide sortant de la zone de thermalisation
22 soit redirigé vers la canalisation 120 et le réservoir 110 situé en amont du système de thermalisation à 95°C.
- 42 Ensuite, 40 cycles de variation de température entre 95°C et 65°C, avec une alternance de 5 s. sont réalisés de manière à amplifier l'ADN contenu dans l'échantillon par la réaction de PCR. Pour cela, l'état des vannes 23, 24, 25, 26 et 118 sur la fig.6 (24, 26, 36, 37 sur la figure 7a) est inversé toute les 5 s. Sur la figure 8a, sont représentés les résultats mesurés à l'aide d'une caméra thermique et exprimé en % du changement de température total : on constate que la température de l'échantillon a atteint 95% de la valeur de consigne de température après environ 1,5 s.
Après 40 cycles, le système selon l'invention est configuré de manière à faire circuler en continu le liquide caloporteur 114 à 65°C dans la zone de thermalisation 22, puis la température du liquide 114 de la source est progressivement augmentée (jusqu'à 85°C) de manière linéaire dans le temps afin de réaliser ce qui est couramment appelé par ceux qui sont familiers de ce type d'analyse, « une courbe de fusion », c'està-dire une courbe établissant la correspondance entre la température et le niveau de fluorescence de l'échantillon. Cette courbe permet de vérifier la température d'hybridation de la séquence amplifiée, cette information étant utilisée comme contrôle qualité de la réaction de PCR. Le signal de fluorescence obtenu est représenté sur la figure 8b ou l'on voit clairement l'amplification progressive au cours du temps du signal de fluorescence, suivie par la courbe de fusion.
Claims (22)
- REVENDICATIONS1 - Puce micro fluidique constituée d'un bloc de matériau dans5 lequel sont disposées successivement :- une zone d'injection de fluide (201) comportant au moins un canal micro fluidique d'injection de fluide (4, 5),- une cavité (202) de forme parallélépipédique ayant une face supérieure comprenant une zone d'échange thermique (204) îo munie d'une zone de thermalisation (22) de surface S au niveau de la face supérieure de la cavité (202), la zone de thermalisation (22) comprenant au moins un canal microfluidique (11) de circulation de fluide, cette cavité (202) étant munie d'au moins un orifice d'entrée de fluide (10) issu de la15 zone d'injection de fluide (201) et d'au moins un orifice de sortie de fluide (30), entre lesquels s'étend la zone d'échange thermique (204) caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un canal micro fluidique (6, 7) de contournement de la cavité (202), relié par une première extrémité à l'un au20 moins des canaux micro fluidiques d'injection de fluide (4, 5), l'embranchement (8, 9) du canal de contournement (6, 7) sur le canal d'injection de fluide (4, 5) étant situé à une distance L de l'orifice d'entrée de fluide (10) de la cavité, la distance L entre chaque embranchement (8, 9) et l'orifice d'entrée de25 fluide étant telle que :L<S/a- 44 S étant la surface de la zone de thermalisation (22) de la face supérieure de la cavité (202) exprimée en m2 a étant un coefficient de correction égal à 0,005 m.
- 2- Puce micro fluidique selon la revendication 1, caractérisée en5 que L<0,02 m.
- 3- Puce selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque canal d'injection de fluide (4, 5) est relié à au moins un canal de contournement (6, 7).
- 4- Puce selon l'une des revendications précédentes, caractérisée îo en ce qu'elle comporte au moins deux canaux micro fluidiques d'injection du fluide (4, 5).
- 5- Puce selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte le même nombre, de préférence deux, de canaux d'injection (4, 5) et de canaux de contournement (6,15 7), chaque canal de contournement étant relié à un seul canal d'injection.
- 6- Puce selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité comporte en outre une zone d'homogénéisation d'entrée (203) située entre l'orifice d'entrée20 (10) et l'entrée de fluide (10 bis) dans les canaux micro fluidiques (11) de circulation de fluide correspondant à la zone d'échange thermique (204) de manière à homogénéiser notamment la température du fluide avant son injection dans les canaux de circulation de fluide (11).25
- 7-Puce selon la revendication 6, caractérisée en ce que la zone d'homogénéisation d'entrée (203) comporte un arbre- 45 d'homogénéisation créant une pluralité de chemins d'écoulement pour le fluide entre l'orifice d'entrée (10) et l'entrée de fluide (10 bis), ces chemins étant sensiblement de même longueur.
- 8- Puce selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la puce est constituée par un bloc de matériau parallélépipédique dont la cavité (202) est fermée par une plaquette supérieure (41), solidaire ou indépendante des parois latérales de la cavité (202) cette plaquette (41) ayant une face supérieure destinée à être en contact avec l'échantillon et ayant de préférence une épaisseur inférieure à 0,002m.
- 9- Puce selon la revendication 8, caractérisée en ce que la plaquette supérieure (41) est en verre et/ou en métal.
- 10- Puce selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité comporte en outre une zone d'homogénéisation de sortie (205) située entre la sortie de fluide (30 bis) des canaux micro fluidiques (11) et l'orifice de sortie de fluide (30) de la cavité (202), de manière à homogénéiser notamment la température du fluide avant son injection dans l'orifice de sortie (30) de fluide.
- 11- Puce selon la revendication 10, caractérisée en ce que la zone d'homogénéisation de sortie (205) comporte un arbre d'homogénéisation créant une pluralité de chemins d'écoulement pour le fluide entre la sortie de fluide (30 bis) des canaux micro fluidiques (11) et l'orifice de sortie de fluide de la- 46 cavité (30), ces chemins étant sensiblement de même longueur.
- 12- Puce selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur de la cavité (202) parallélépipédique est inférieure à 0,001 m, de préférence inférieure ou égale à 500 micromètres.
- 13- Puce selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une vanne disposée dans au moins un de ses canaux d'injection et ou de contournement.
- 14- Puce selon la revendication 13, caractérisée en ce que au moins une vanne est à commande pneumatique.
- 15- Système micro fluidique caractérisé en ce qu'il comporte une puce selon l'une des revendications précédentes, un premier film conducteur thermique disposé au-dessus de la cavité et un porte échantillon destiné à recevoir l'échantillon d'ADN à analyser
- 16- Système selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte un film de matériau conducteur de la chaleur disposé au moins partiellement sur la surface plane de la puce et maintenu sur celle-ci de manière à assurer l'étanchéité au niveau du liquide caloporteur au contact du film.
- 17- Système selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que le porte échantillon comporte un second film de matériau conducteur de la chaleur dans sa partie inférieure, au contact du premier film.- 47
- 18- Système selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens pour faire circuler au moins un liquide caloporteur sous pression dans les canaux.
- 19- Système selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire circuler une pluralité, de préférence deux liquides caloporteurs à différentes températures dans les canaux d'injection et les canaux de contournement et alimenter alternativement la cavité avec l'un de ces liquides tandis que les autres liquides caloporteurs, de préférence un seul, circulent dans les canaux d'injection jusqu'à l'embranchement puis dans les canaux de contournement associés.
- 20- Système selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'alimentation alternative de la cavité par différents liquides caloporteurs s'effectue en faisant varier les pressions respectives des liquides caloporteurs.
- 21- Système selon l'une des revendications 19 ou 20, caractérisé en ce que l'alimentation alternative de la cavité par différents liquides caloporteurs s'effectue à l'aide de vannes disposées dans les différentes canalisations.
- 22-Procédé pour réaliser une réaction de type PCR dans lequel on utilise une puce etyou un système selon l'une revendications 1 à 21,dans lequel on place un échantillon d'ADN alternativement en contact thermique indirect avec au moins un premier et un second liquides caloporteurs à températures différentes circulant dans des canaux micro fluidiques et alimentant alternativement une cavité permettant un échange thermique avec l'échantillon, caractérisé en ce que lorsque l'un des liquides est envoyé vers la cavité, l'autre liquide contourne la cavité et vice-versa, les deux liquides pénétrant alternativement dans la cavité par une canalisation d'alimentation possédant un embranchement permettant au liquide d'aller soit dans la cavité, soit de contourner la cavité, la distance entre l'embranchement et l'entrée de la cavité étant inférieure à 0,02 mètre.1 I 8Zone de sortie de fluide 206Zone d'homogénéisation de sortie 205Zone d'échange thermique 204Zone d'homogénéisation d'entrée 203Zone d'injection de fluide 201
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| US20060188979A1 (en) * | 2001-04-12 | 2006-08-24 | Caliper Life Sciences, Inc. | Method and apparatus for improved temperature control in microfluidic devices |
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