FR3068027A1 - Dispositif microfluidique a plusieurs chambres en parallele - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif microfluidique comprenant une architecture microfluidique, ladite architecture microfluidique comportant : Un circuit microfluidique d'entrée (1) qui comporte au moins une pompe (10) configurée pour recevoir un fluide à analyser et au moins un premier canal (11) relié à ladite pompe et agencé pour recevoir ledit fluide à analyser après une action en injection de ladite pompe, Un circuit microfluidique d'analyse (2) présentant un volume de valeur déterminé, relié en aval du circuit microfluidique d'entrée (1) et comprenant : ? un canal de répartition (20) relié audit premier canal du circuit microfluidique d'entrée et présentant une résistance fluidique, ? plusieurs chambres (CHj) en parallèle, ? plusieurs canaux secondaires d'entrée (22a), chaque canal secondaire d'entrée (22a) reliant le canal de répartition à une chambre distincte pour alimenter lesdites chambres.
Description
Dispositif microfluidique à plusieurs chambres en parallèle
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte à un dispositif microfluidique comportant plusieurs chambres à remplir en parallèle.
L'invention concerne également le système qui comporte à la fois ledit dispositif microfluidique et une solution de commande appropriée.
L'invention concerne également un procédé d'analyse d'un fluide mis en oeuvre à l'aide du système microfluidique de l'invention.
Etat de la technique
Le remplissage, par pression, en parallèle, de plusieurs chambres d'un dispositif microfluidique a déjà été évoqué dans les publications suivantes :
Berthier et al. Filling of Parallel MicroChannel Networks - Analysis of the De-synchronization - Sensors & Transducers, Vol. 203, Issue 8, August 2016, pp. 24-32.
M.L.Y. Diakite et al. “Point-of-Care Diagnostics for Ricin Exposure” Lab on Chip (2015)-Royal Society of Chemistry- DOI: 10.1039/c5lc00178a
Cette dernière publication citée décrit le remplissage par un fluide de plusieurs chambres microfluidiques en parallèle en utilisant une pression assez élevée et une architecture microfluidique bien adaptée. Pour injecter le liquide dans les chambres, une source d’air comprimé externe est utilisée pour agir directement sur le fluide.
Pour assurer une bonne maîtrise du volume injecté, la solution proposée dans cette publication nécessite une très bonne maîtrise de la durée d’actionnement pendant laquelle le liquide est injecté dans les chambres. Cependant, même avec une parfaite maîtrise de cette durée, les variations de résistance fluidique entre les différentes cartouches microfluidiques ainsi que les variations dans la pression utilisée peuvent avoir pour conséquence de laisser de l’air résiduel dans les chambres (si durée d'actionnement trop courte) ou d’injecter de l’air supplémentaire dans les chambres (si durée d'actionnement trop longue). Pour faire face à ces problèmes, la solution décrite dans cette publication utilise un volume de liquide plus important que nécessaire, ce qui va impacter de manière négative la sensibilité et rend la solution inadaptée pour l'analyse d'échantillon présent en faible volume.
Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif microfluidique qui comporte plusieurs chambres en parallèle dont le remplissage peut être assuré sans nécessiter un réglage précis de la durée d'actionnement, ni l'utilisation d'échantillon en plus grande quantité que nécessaire.
Exposé de l'invention
Ce but est atteint par un dispositif microfluidique comprenant une architecture microfluidique, ladite architecture microfluidique comportant :
Un circuit microfluidique d'entrée qui comporte au moins une pompe configurée pour recevoir un fluide à analyser et au moins un premier canal relié à ladite pompe et agencé pour recevoir ledit fluide à analyser après une action en injection de ladite pompe,
Un circuit microfluidique d'analyse présentant un volume de valeur déterminé, relié en aval du circuit microfluidique d'entrée et comprenant :
o un canal de répartition relié audit premier canal du circuit microfluidique d'entrée et présentant une résistance fluidique, o plusieurs chambres en parallèle présentant chacune un volume de valeur déterminée, o plusieurs canaux secondaires d'entrée, chaque canal secondaire d'entrée reliant le canal de répartition à une chambre distincte pour alimenter lesdites chambres, chaque canal secondaire d'entrée présentant une résistance fluidique d'une valeur donnée,
Dans lequel :
La pompe comporte une chambre d'un volume interne modulable entre une valeur nulle et une valeur maximale et un élément mobile actionnable à l'intérieur de la chambre pour moduler ledit volume de la chambre entre ladite valeur nulle et ladite valeur maximale,
La chambre de ladite pompe est configurée pour présenter un volume ayant une valeur maximale au moins égale à ladite valeur déterminée du volume du circuit microfluidique d'analyse,
Le canal de répartition est configuré pour présenter une résistance fluidique d'une valeur inférieure à celle de chaque résistance fluidique de chaque canal secondaire d'entrée,
- Chaque canal secondaire d'entrée est configuré pour présenter une résistance fluidique ayant une valeur choisie pour assurer une durée de remplissage identique pour toutes les chambres en parallèle du circuit microfluidique d'analyse,
- Chaque chambre est configurée pour présenter un volume ayant une valeur choisie pour assurer une durée de remplissage identique pour toutes les chambres en parallèle du circuit microfluidique d'analyse.
Selon une réalisation particulière, les chambres en parallèle comportent au moins une première chambre d'un premier volume et une deuxième chambre d'un deuxième volume, ledit premier volume ayant une valeur supérieure de celle dudit deuxième volume et lesdits canaux secondaires d'entrée comportent un premier canal d'entrée débouchant dans ladite première chambre et un deuxième canal secondaire d'entrée débouchant dans ladite deuxième chambre. Le premier canal secondaire d'entrée comporte une résistance fluidique ayant une valeur inférieure à la valeur de la résistance fluidique dudit deuxième canal secondaire d'entrée et est configurée pour assurer une durée de remplissage identique pour la première chambre et la deuxième chambre.
Selon une réalisation particulière, toutes les chambres présentent un volume ayant une valeur identique.
Selon une réalisation particulière, les chambres présentent une forme identique.
Selon une réalisation particulière, les canaux secondaires d'entrée présentent tous une résistance fluidique de valeur identique. Les canaux secondaires d'entrée présentent avantageusement tous une longueur et une section identiques.
Selon une réalisation particulière, chaque canal qui débouche dans une chambre se termine par un coude.
Selon une réalisation particulière, le circuit microfluidique d'analyse comporte un canal de sortie et plusieurs canaux secondaires de sortie reliant chaque chambre audit canal de sortie.
Selon une réalisation particulière, la pompe est réalisée sous la forme d'une capsule microfluidique formant sa chambre d'un volume modulable entre une valeur nulle et une valeur maximale et une membrane déformable à l'intérieur de la chambre pour moduler ledit volume de la chambre entre ladite valeur nulle et ladite valeur maximale.
Selon une réalisation particulière, le circuit microfluidique d'entrée comporte un réservoir agencé en amont de ladite pompe et un premier canal de liaison reliant ledit premier réservoir au volume interne de ladite pompe.
Selon une réalisation particulière, le circuit microfluidique d'entrée comporte une vanne agencée entre la pompe et ledit réservoir.
Selon une réalisation particulière, le circuit microfluidique d'entrée comporte en amont de ladite pompe un premier réservoir relié à la pompe via un premier canal de liaison et un deuxième réservoir relié à ladite pompe via un deuxième canal de liaison, en parallèle du premier réservoir.
Selon une réalisation particulière, le dispositif comporte une première vanne agencée sur ledit premier canal de liaison pour contrôler le flux de fluide du premier réservoir vers la pompe.
Selon une réalisation particulière, le dispositif comporte une deuxième vanne agencée sur ledit deuxième canal d'entrée pour contrôler le flux de fluide du deuxième réservoir vers la pompe.
Selon une réalisation particulière, le dispositif comporte un circuit microfluidique de sortie relié audit circuit microfluidique d'analyse.
Selon une réalisation particulière, le circuit microfluidique de sortie comporte un réservoir de sortie destiné à recueillir le fluide en sortie.
Selon une réalisation particulière, le dispositif comporte une première vanne agencée entre le circuit microfluidique d'entrée et le circuit microfluidique d'analyse et une deuxième vanne agencée entre le circuit microfluidique d'analyse et le circuit microfluidique de sortie.
L'invention concerne également un système microfluidique comprenant un système de commande comportant une unité de commande et de traitement et un mécanisme d'actionnement commandé par ladite unité de commande et de traitement, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif microfluidique tel que défini ci-dessus, la pompe dudit dispositif étant configurée pour être actionnée par ledit mécanisme d'actionnement.
Selon une réalisation particulière, ledit mécanisme d'actionnement est de type pneumatique et en ce qu'il est configuré pour appliquer une pression déterminée sur ledit élément mobile de ladite pompe.
L'invention concerne également un procédé d'analyse d'un fluide, mis en oeuvre à l'aide d'un système microfluidique tel que défini ci-dessus, ledit procédé comprenant une étape de commande d'un actionnement de la pompe du système pour injecter ledit fluide dans le dispositif microfluidique par une application d'une seule impulsion de pression sur ledit élément mobile de ladite pompe, ladite impulsion de pression étant déterminée pour assurer une durée de remplissage du fluide identique dans toutes les chambres.
La solution technique décrit dans la publication antérieure précitée - Diakite (M.L.Y. Diakite et al. “Point-of-Care Diagnostics for Ricin Exposure” Lab on Chip, 2015) - utilise environs 200 pL de liquide pour remplir vingt-huit chambres de 1.3 pL (36.4 pL utile), ce qui fait 18.2% de volume utile par rapport à 81.8% de volume mort. L'injection est réalisée par une impulsion de pression de 1 bar durant 700 msec.
A titre de comparaison, la présente invention utilise environ 50 pL de liquide pour remplir douze chambres de 2.0 pL (23.7 pL utile) chacune, ce qui fait 47.4% de volume utile par rapport à 52.6% de volume mort. Si ce volume devait être injecté par une même impulsion de pression que celle prévue dans l'art antérieur (1 bar), cette impulsion devrait durer 175 msec (c'est-à-dire une durée 4x plus courte que la durée prévue dans la solution antérieure). On comprend que cette durée est très courte et donc très difficile à maîtriser. La présente invention permet d’injecter à pression élevée (de 1 à quelques bars) des volumes même plus petits tout en gardant une très bonne précision du volume injecté.
Les publications antérieures Diakite et Berthier citées ci-dessus évoque un mode de remplissage à pression élevée pour favoriser un remplissage synchrone des chambres. Cependant elles n'évoquent pas l'importance de la différence de résistance fluidique entre le canal central et les canaux secondaire qui desservent chacune des chambres. La résistance fluidique d'un canal est notamment régie par l'équation suivante :
Δρ = RLQ
Dans laquelle :
- Δρ correspond à une différence de pression dans un canal ;
- R correspond à la résistance fluidique du canal par unité de distance ;
- L correspond à la longueur du canal parcouru par le fluide ;
- Q correspond au débit dans le canal ;
En y ajoutant la notion du temps, ceci revient à écrire :
<3(0 =
Δρ
RL(t)
Le débit Q(t) diminue en effet avec la longueur L(t) qui augmente, pour un tronçon du canal à résistance fluidique R constante.
Dans l'architecture de l'invention, pour faire en sorte que le canal de répartition se remplisse entièrement avant les canaux secondaires, le canal de répartition est configuré avec une résistance fluidique plus faible que celle des canaux secondaires. Le rapport entre les deux résistances fluidiques pourra par exemple varier de 5 à 1000.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels :
Les figures 1A et 1B représentent, de manière schématique, un système incluant le dispositif microfluidique de l'invention, selon deux variantes de réalisation.
La figure 2 représente, de manière schématique, un système incluant le dispositif microfluidique de l'invention, selon un mode de réalisation particulier.
Les figures 3A à 3D représentent, de manière schématique, plusieurs architectures du circuit microfluidique d'analyse du dispositif de l'invention. Les figures 4A et 4B représentent, respectivement de manière schématique et selon un mode de réalisation particulier, l'architecture d'une chambre du circuit microfluidique d'analyse.
La figure 5 représente une capsule microfluidique telle qu'employée dans le dispositif microfluidique de l'invention pour assurer la fonction de pompe. Les figures 6A et 6B illustrent les deux états de fonctionnement de la capsule microfluidique de la figure 5.
La figure 7 représente une variante de réalisation du dispositif microfluidique de l'invention.
Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
Dans la suite de la description, les termes haut, bas, supérieur, inférieur, sont à comprendre en prenant comme référence un axe vertical.
Dans la suite de la description, les résistances fluidiques évoquées sont à comprendre par unité de distance.
Les canaux microfluidiques réalisés présentent avantageusement tous une section constante sur toute leur longueur.
L'invention a trait notamment à un dispositif microfluidique doté d'une architecture microfluidique particulière.
En référence à la figure 1 A, l'architecture microfluidique comporte :
Un circuit microfluidique d'entrée 1 ;
Un circuit microfluidique d'analyse 2 ;
Le circuit microfluidique d'entrée 1 est destiné à recevoir le fluide à analyser dans le dispositif et de l’injecter dans le circuit microfluidique d'analyse 2.
Le circuit microfluidique d'analyse 2 est relié au circuit microfluidique d'entrée 1 pour recevoir le fluide à analyser.
En référence à la figure 1 B, de manière optionnelle, l'architecture microfluidique peut également comporter un circuit microfluidique de sortie 3. Le circuit microfluidique de sortie 3 est relié au circuit microfluidique d'analyse pour, par exemple, assurer l'évacuation du fluide à analyser du circuit microfluidique d'analyse 2.
Le circuit microfluidique de sortie 3 comporte avantageusement un évent pour évacuer l'air en dehors du dispositif lors de l'injection du fluide dans le dispositif. L'évent pourrait également être prévu directement en sortie du circuit microfluidique d'analyse.
L'architecture microfluidique du dispositif est avantageusement réalisée sur une carte 4 dotée typiquement d'une superficie équivalente à celle d'une lame de microscope, d'une plaque à puits (appelée 96 wellplate) ou d'une carte de crédit.
Les canaux des circuits microfluidiques sont ménagés dans le plan de la carte 4 formé par le dispositif.
Cette carte 4 sera par exemple formée par la superposition d'au moins deux substrats, dits premier substrat 40 et deuxième substrat 41.
Chacun des premier 40 et deuxième 41 substrats présente une épaisseur, par exemple comprise entre environ 200 pm et 10 mm.
Le matériau du premier substrat 40 et/ou du deuxième substrat 41 est sélectionné parmi les matériaux suivants : polymère polycarbonate, PMMA, COC, silicium, et papier.
Chaque substrat 40, 41 présente deux surfaces, une surface dite supérieure et une surface dite inférieure. La surface inférieure 400 du premier substrat 40 est en visà-vis de la surface supérieure 410 du deuxième substrat 41. Ces deux surfaces sont dites surfaces microfluidiques. Chaque circuit microfluidique est réalisé sous la forme d'une empreinte créée sur l'une, l'autre ou les deux surfaces 400, 410 des substrats. Les deux substrats peuvent présenter un contour de forme rectangulaire ou circulaire ou de toute autre forme.
Le circuit microfluidique d'entrée 1 comporte une pompe 10 présentant un volume calibré et est apte à être commandée pour aspirer un volume de fluide à analyser et à injecter à haute pression (de 1 à quelques bars) ledit volume de fluide dans le circuit microfluidique d'analyse 2.
Le circuit microfluidique d'entrée 1 comporte un canal de sortie 11 relié à la pompe 10 et configuré pour recevoir le fluide à analyser après une action d'injection de la pompe 10.
Le circuit microfluidique d'entrée 1 peut comporter un canal d'entrée 12 débouchant dans le volume de la pompe pour que celle-ci puisse aspirer le fluide à analyser.
Le circuit microfluidique d'entrée 1 peut comporter un réservoir 13 de fluide à analyser.
Le circuit microfluidique d'entrée peut comporter une vanne V3 agencée sur le canal d'entrée 12 entre le réservoir 13 et la pompe 10 pour commander la liaison fluidique entre la pompe 10 et le réservoir 13. Cette vanne V3 permet avantageusement d'isoler la pompe 10 du réservoir 13.
La pompe 10 du circuit microfluidique d'entrée 1 se présente avantageusement sous la forme d'une capsule microfluidique 100 telle que représentée sur la figure 6, dont le fonctionnement est illustré sur les figures 6A et 6B.
La pompe 10 peut être également un dispositif doté d'une chambre destinée à recevoir le fluide à analyse et d'un élément actionnable dans ladite chambre pour pousser ledit fluide en dehors de la pompe.
La pompe peut être formée d'une seringue présentant un piston actionnable de manière pneumatique ou mécanique. Afin de calibrer son volume, le piston de la seringue est actionnable entre deux positions extrêmes marquées, par exemple par des butées mécaniques.
Une capsule microfluidique 100 comporte une chambre 101 de volume modulable. Elle comporte une entrée fluidique 102a, préférentiellement radiale, communiquant avec un canal d'entrée et une sortie fluidique 102b, préférentiellement radiale, communiquant avec un canal de sortie. Son entrée fluidique et sa sortie fluidique communiquent avec le volume de ladite chambre 101.
La chambre 101 présente un volume modulable défini par la déformation d'un élément en matériau déformable, désigné membrane 103. Cette membrane 103 est déformable entre au moins deux positions pour faire varier le volume interne de la chambre 101 et ainsi commuter la capsule 100 entre deux états. Dans un premier état de la capsule, la membrane 103 est dans une première position qui autorise l'écoulement d'un fluide F dans la chambre 103, la chambre 103 réalisant la liaison entre son entrée fluidique 102a et sa sortie fluidique 102b. Dans un deuxième état, la membrane 103 est dans une deuxième position qui bloque l'écoulement de fluide F, empêchant la circulation de celui-ci entre l'entrée et la sortie fluidique. Un canal 42 est avantageusement réalisé dans la carte pour assurer la commande pneumatique de la membrane 103.
La position de la membrane 103 déformable permet ainsi de moduler le volume de la chambre 101 de la capsule 100, entre un volume de valeur maximale (figure 6B) et un volume de valeur nulle ou presque (figure 6A).
En changeant de position, la membrane 103 est ainsi adaptée pour pomper le fluide depuis le réservoir 13 du circuit microfluidique d'entrée 1 et pour le refouler (autrement dit l'injecter) dans le canal de sortie 11 du circuit microfluidique d'entrée 1.
La capsule 100 est avantageusement formée par une cavité réalisée dans une plaque support et la membrane déformable vient obturer la cavité.
La membrane déformable 103 est avantageusement agencée entre les deux substrats 40, 41 du dispositif.
Le premier substrat 40, la membrane 103 et le deuxième substrat 41 sont assemblés de manière à assurer un contact étanche entre la membrane 103 et les deux surfaces microfluidiques 400, 410 des premier et deuxième substrats tout en aménageant un espace d’écoulement pour le fluide. L’assemblage peut être réalisé par collage, par plasma, par scellement thermique ou par un plaquage mécanique comme décrit ci-après.
La membrane 103 est formée d’un matériau très déformable élastiquement, lui permettant de revenir à sa forme initiale après déformation.
Le matériau formant la membrane est choisi avec un pourcentage de déformation élastique au moins égal à 200% (une élongation de 2 fois sa taille initiale avant déformation) et pouvant aller jusqu'à 800%. Bien entendu, le matériau et sa caractéristique de déformabilité pourront être adaptés à l'application visée. Parmi les matériaux utilisables, on aura notamment les élastomères de la famille des silicones tels que les MQ (Methyl-Polysiloxanes), les VMQ (Vinyl-Methyl-Polysiloxanes, les PVMQ (Phenyl-Vynil-Methyl-Polysiloxanes) ou les élastomères de type thermoplastiques (TPE), par exemple les TPE-S, TPS, TPE-E, TPC.
La cavité de la capsule peut présenter une forme de calotte demi-sphérique dont la base (dans un plan perpendiculaire à l'axe (X)) a un diamètre compris entre environ 1 mm et 1 cm et dont la hauteur (suivant l'axe (X)) est comprise entre environ 100 pm et 4 mm.
Comme représenté sur les figures annexées, la cavité peut également présenter une forme en cylindre de révolution. Cette forme en cylindre présente notamment certains avantages. Elle est plus simple à usiner et présente une capacité en volume plus important, pour un encombrement similaire à celui d'une forme en calotte demi-sphérique.
Les figures 6A et 6B illustrent de manière schématique les deux états d’une capsule microfluidique employée dans un fonctionnement de type pompe.
La figure 6A représente une capsule microfluidique 100 dans un état ouvert. La pression sur la membrane déformable 103 est relâchée. La pression du fluide repousse la membrane dans une position plaquée sur une partie de la surface microfluidique 410 du deuxième substrat 41, autorisant le remplissage de la chambre de la capsule. La membrane 103 et la cavité correspondante délimitent un réservoir de volume maximal prédéterminé égal à celui de la cavité.
La figure 6B représente la capsule microfluidique dans un état fermé. L'exercice d'une pression sur la membrane la déploie de manière à venir la plaquer sur une partie de la surface microfluidique 400 du premier substrat 40 tout en épousant parfaitement la forme de la cavité correspondante (ici un cylindre) de sorte que le volume entre la membrane 103 et la cavité est quasiment nul, repoussant le fluide hors de la cavité vers sa sortie fluidique 102b et donc vers le canal de sortie 11 du circuit microfluidique d'entrée 1.
Le volume de la capsule microfluidique formant la pompe présente une valeur maximale au moins égale à celle du volume de l'ensemble du circuit microfluidique d'analyse 2.
Le dispositif comporte avantageusement une vanne V1 entre le circuit microfluidique d'entrée 1 et le circuit microfluidique d'analyse 2.
Le circuit microfluidique d'analyse 2 comporte un canal de répartition 20, relié au canal de sortie 11 du circuit microfluidique d'entrée 1 à travers la vanne V1.
Le circuit microfluidique d'analyse 2 comporte un canal de sortie 21 relié au circuit microfluidique de sortie 3.
Le circuit microfluidique d'analyse 2 comporte plusieurs chambres CHj (j allant de 1 à m, avec m supérieur ou égal à 2) agencées en parallèle par rapport au canal de répartition.
Chaque chambre comporte une entrée fluidique et une sortie fluidique.
Le circuit microfluidique d'analyse 2 comporte, pour chaque chambre, un canal secondaire d'entrée 22a et un canal secondaire de sortie 22b (figure 4A).
Chaque canal secondaire d'entrée 22a relie l'entrée fluidique d'une chambre CHj distincte au canal de répartition 20.
Chaque canal secondaire de sortie 22b relie la sortie fluidique d'une chambre CHj distincte au canal de sortie 21 du circuit microfluidique d'analyse 2.
Comme représenté sur la figure 4B, chaque canal secondaire (d'entrée et/ou de sortie) débouchant dans une chambre peut comporter un coude, orienté perpendiculairement au plan de la carte 4, permettant d'éviter une injection sous forme de jet dans la chambre. Dans cette configuration, chaque canal secondaire n'est donc pas rectiligne. Cela permet notamment de réaliser les chambres dans un substrat de la carte et les canaux dans l'autre substrat de la carte.
L'un des objectifs du dispositif de l'invention est de faire en sorte que la durée de remplissage soit identique pour toutes les chambres CHj en parallèle du circuit microfluidique d'analyse, ceci de manière à éviter la création de bulle d'air dans le dispositif.
Pour cela, la résistance fluidique du canal de répartition 20 présente une valeur inférieure à celle de la résistance fluidique de chaque canal secondaire d'entrée 22a pris individuellement, permettant ainsi d'assurer d'abord un remplissage complet du canal de répartition 20 avant l'introduction du fluide dans chaque canal secondaire d'entrée 22a.
La résistance fluidique du canal de répartition 20 peut être à une valeur qui est 5 à 10 fois inférieure à celle de la résistance fluidique d'un canal secondaire d'entrée 22a.
La résistance fluidique du canal de répartition 20 peut être à une valeur qui est 50 à 100 fois inférieure à celle de la résistance fluidique d'un canal secondaire d'entrée 22a.
La résistance fluidique du canal de répartition 20 peut être à une valeur qui est 1000 fois inférieure à celle de la résistance fluidique d'un canal secondaire d'entrée 22a.
En outre, pour parvenir à cet objectif, le circuit microfluidique d'analyse 2 peut prendre différentes configurations en tenant compte :
Du volume de chaque chambre CHj ;
De la résistance fluidique de chaque canal secondaire d'entrée 22a menant à une chambre CHj ;
Les différentes configurations sont obtenues en tenant compte des variables suivantes, prises seules ou en combinaison :
Les canaux secondaires d'entrée 22a présentent tous une résistance fluidique de même valeur ;
- Au moins un canal secondaire d'entrée 22a présente une résistance fluidique de valeur distincte de celle de la résistance fluidique de chaque autre canal secondaire d'entrée 22a ;
Les chambres CHj sont toutes d'un volume de valeur identique ;
- Au moins une chambre parmi les chambres CHj présentent un volume de valeur distincte de celle du volume des autres chambres CHj ;
De manière non exhaustive, les figures 3A à 3D représentent ainsi différentes variantes d'agencement de chambres en parallèle.
Sur la figure 3A, le circuit microfluidique d'analyse comporte ainsi deux groupes de quatre chambres en parallèle du canal de répartition. Dans cette configuration, toutes les chambres présentent un volume identique (et même une forme identique) et tous les canaux secondaires d'entrée 22a présentent une résistance fluidique de valeur identique et une longueur identique.
Sur la figure 3B, le circuit microfluidique d'analyse comporte ainsi un groupe de quatre chambres en parallèle du canal de répartition 20 et du canal de sortie 21. La configuration des chambres en volume et celle des canaux secondaires d'entrée en résistance fluidique et en longueur sont identiques à celles de la figure 3A.
Sur la figure 3C, le circuit microfluidique d'analyse comporte ainsi un groupe de quatre chambres en parallèle du canal de répartition 20 et du canal de sortie 21, les quatre chambres étant orientées à 90° par rapport à l'architecture de la figure 3B. Leur configuration en volume et celle des canaux secondaires d'entrée en résistance fluidique et en longueur sont identiques à celles de la figure 3A.
Sur la figure 3D, le circuit microfluidique d'analyse comporte un groupe de quatre chambres en parallèle du canal de répartition 20 et du canal de sortie 21. Dans cette configuration, la chambre CH1 présente un volume de valeur VU, la chambre CH2 présente un volume de valeur VI2, la chambre CH3 présente un volume de valeur VI3 et la chambre CH4 présente un volume de valeur VI4. On a ainsi :
Vil < V12 < V13 et V13 = V14
Compte tenu de cette configuration en volume, les résistances fluidiques des canaux secondaires 22a (tous d'une longueur identique) menant à ces chambres sont réglées de manière adaptée et on a ainsi :
Rl> R2> R3 et «3 = R4
Avec :
R1, la valeur de chambre CH1 ; R2, la valeur de chambre CH2 ; R3, la valeur de chambre CH3 ; R4, la valeur de chambre CH4 ;
la résistance fluidique du la résistance fluidique du la résistance fluidique du la résistance fluidique du canal canal canal canal secondaire menant secondaire menant secondaire menant secondaire menant à la à la à la à la
Les canaux secondaires d'entrée 22a peuvent être tous identiques en section, volume et longueur et une résistance fluidique de valeur identique.
Les canaux secondaires de sortie 22b peuvent être tous identiques en section, volume et longueur et une résistance fluidique de valeur identique.
Les chambres CHj connectés sur le canal de répartition peuvent être toutes identiques, en volume et en forme.
Le volume de la chambre 101 de la capsule microfluidique 100 formant la pompe 10 d'injection du fluide dans le circuit microfluidique d'analyse 2 présente un volume de valeur au moins égal au volume global du circuit microfluidique d'analyse 2, ce volume global incluant :
- Celui des différents canaux (20, 22a) du circuit menant aux chambres ;
- Celui des différents canaux (21, 22b) sortant des chambres pour rejoindre le circuit microfluidique de sortie 3 ;
- Celui représenté par toutes les chambres CHj du circuit ;
En référence à la figure 1B, le dispositif microfluidique peut comporter une vanne V2 entre le circuit microfluidique d'analyse 2 et le circuit microfluidique de sortie
3.
Les deux vannes V1, V2 sont agencées pour permettre d'isoler hermétiquement chaque circuit microfluidique par rapport aux deux autres et notamment le circuit microfluidique d'analyse 2 d'une part par rapport au circuit microfluidique d'entrée 1 et d'autre part par rapport au circuit microfluidique de sortie 3.
Le circuit microfluidique de sortie 3 peut comporter un réservoir 30 pour récolter le fluide en sortie du circuit microfluidique d'analyse 2. Le réservoir 30 peut comporter un évent pour évacuer l'air en dehors de l'architecture fluidique lors de l'injection de fluide.
Le circuit microfluidique de sortie 3 peut comporter un canal 31 reliant le canal de sortie 21 du circuit microfluidique d'analyse 2 au réservoir 30 via la vanne V2.
Un système microfluidique intégrant ledit dispositif comporte un système de commande 5 adapté pour commander une séquence de commande comprenant au moins l'application d'une pression déterminée sur la membrane déformable 103 de la pompe 10 pour assurer l'injection du fluide dans le circuit microfluidique d'analyse 2. Par pression déterminée, il faut comprendre une pression qui est fixe et toujours identique dans la mesure où les conditions de fonctionnement restent identiques.
La séquence de commande pourra également comporter un actionnement des différentes vannes. II s'agira par exemple :
D'actionner la vanne V3 à l'ouverture pour autoriser une aspiration par la pompe 10 du fluide contenu dans le réservoir 13 vers la pompe 10. La vanne
V1 est alors fermée pour isoler le circuit microfluidique d'entrée 1 par rapport au circuit microfluidique d'analyse 2.
D'actionner la vanne V3 à la fermeture une fois la chambre 101 de la pompe 10 remplie.
D'actionner la vanne V1 à l'ouverture pour autoriser l'injection de fluide de la pompe 10 vers le circuit micro-fluidique d'analyse 2.
En variante, il sera également possible d'employer des vannes sens unique, c'est-à-dire qui n'autorisent la circulation d'un fluide que dans un seul sens.
Le système de commande 5 comporte par exemple une unité de commande et de traitement destinée à mettre en œuvre ladite séquence de commande déterminée et un mécanisme d'actionnement destiné à exécuter ladite séquence de commande.
La séquence de commande est créée par l'exécution, par l'unité de commande et de traitement, d'une pluralité de modules logiciels, chaque module logiciel correspondant à une ou plusieurs des étapes d'un procédé de commande.
Le mécanisme d’actionnement fait avantageusement partie du système de commande et est commandé par l'unité de commande et de traitement pour déformer au moins une partie de la membrane 103 de la pompe 10, par exemple en exerçant une pression ou une impulsion de pression au moyen d’un fluide de pression, et en particulier d’un gaz de pression via un trou d’actionnement 42 (figures 6A et 6B).
Le mécanisme d'actionnement peut être de type pneumatique. Pour commuter la chambre, il s'agit d'appliquer la pression suffisante pour pousser ou aspirer la membrane (selon la variante de réalisation de la capsule) par rapport à la pression du fluide présent dans la chambre.
Conditions d'expérimentation avec une architecture microfluidique telle que celle représentée sur la figure 2 :
- Volume maximal de la capsule de la pompe=50pl
- Volume du circuit microfluidique d'analyse=45pl à 50μΙ
- Section rectangulaire des canaux secondaires de la première série=200x100pm
- Section rectangulaire du canal de répartition=500x300pm Pression d'actionnement de la pompe=1 bar
Pression d'actionnement de chaque vanne=3 bar
Applications d'un dispositif conforme à l'invention :
Réalisation de plusieurs réactions en parallèle sur un même échantillon ; Détection de plusieurs cibles dans un même échantillon ;
- Amplification d'ADN dans le réseau de plusieurs chambres en parallèle, chaque chambre permettant d'amplifier une cible différente ;
Le circuit microfluidique d'entrée 1 peut comporter deux réservoirs 130, 131 en parallèle reliés à la pompe 10 (figure 7).
Le circuit microfluidique d'entrée 1 peut comporter deux canaux de liaison reliant chaque réservoir 130, 131 au volume de la pompe 10.
Le circuit microfluidique d'entrée 1 peut comporter une vanne V4, V5 sur chaque canal de liaison reliant un réservoir distinct à la pompe 10, pour contrôler un transfert de composé de chaque réservoir vers la pompe.
Le premier réservoir peut recevoir un lyophilisât et le deuxième réservoir un liquide destiné au mélange du lyophilisât.
Le mélange du lyophilisât et du liquide dans le volume connu de la pompe 10 permet d'assurer un calibrage précis du mélange obtenu, par exemple avant injection dans le circuit microfluidique d'analyse 2.
L'isolation du circuit microfluidique d'entrée par rapport aux circuits microfluidiques avals, grâce à la vanne V1 et celle du réservoir 13 par rapport à la pompe 10, grâce à la vanne V3 permet de mettre en oeuvre des solutions de mélange d'un lyophilisât dans le circuit microfluidique d'entrée, avant son injection dans le circuit microfluidique d'analyse. Par des actions d'aspiration et de refoulement appliqués entre la pompe 10 et le réservoir 13, un lyophilisât présent initialement dans le réservoir peut être mélangé de manière active avec un liquide ajouté dans l’autre réservoir.
L'isolation hermétique du circuit microfluidique d'analyse 2 par rapport au circuit microfluidique d'entrée 1 et au circuit microfluidique de sortie 3 (via la commande des vannes V1 et V2) permet de mettre en oeuvre des réactions directement sur les chambres en parallèle, par exemple un chauffage des chambres, à température élevée.
Chaque vanne V1, V2, V3 est par exemple une vanne microfluidique dont l'actionnement est commandé par un système de commande 5 entre un état ouvert et un état fermé. Toute autre solution pourra bien entendu être envisagée.
La solution globale telle que décrite ci-dessus présente ainsi de nombreux avantages, parmi lesquels :
• Elle permet d'injecter un fluide dans un réseau de plusieurs chambres en parallèle ;
• La solution dispose d'une seule entrée et d'une seule sortie (seulement deux vannes sont par exemple nécessaires pour isoler le circuit microfluidique d'analyse 2 de manière hermétique) ;
• L'injection du fluide dans les circuits est mise en œuvre en appliquant une seule impulsion de pression sur la pompe du dispositif sans qu’il soit nécessaire de maîtriser la durée exacte de cette impulsion ;
• Elle permet d'embarquer le volume exact nécessaire (grâce au volume calibré de la pompe par rapport au volume du circuit microfluidique d'analyse 2);
• Elle permet une injection sans inclusion de bulles d’air ;
• Elle permet notamment de re-suspendre par mélange actif des réactifs lyophilisés ou séchés ;
• Elle utilise un simple actionnement pneumatique ;
Claims (19)
- REVENDICATIONS1. Dispositif microfluidique comprenant une architecture microfluidique, ladite architecture microfluidique comportant :Un circuit microfluidique d'entrée (1 ) qui comporte au moins une pompe (10) configurée pour recevoir un fluide à analyser et au moins un premier canal (11 ) relié à ladite pompe et agencé pour recevoir ledit fluide à analyser après une action en injection de ladite pompe,Un circuit microfluidique d'analyse (2) présentant un volume de valeur déterminé, relié en aval du circuit microfluidique d'entrée (1 ) et comprenant : o un canal de répartition (20) relié audit premier canal du circuit microfluidique d'entrée et présentant une résistance fluidique, o plusieurs chambres (CHj) en parallèle présentant chacune un volume de valeur déterminée, o plusieurs canaux secondaires d'entrée (22a), chaque canal secondaire d'entrée (22a) reliant le canal de répartition à une chambre distincte pour alimenter lesdites chambres, chaque canal secondaire d'entrée présentant une résistance fluidique d'une valeur donnée,- Caractérisé en ce que :La pompe (10) comporte une chambre d'un volume interne modulable entre une valeur nulle et une valeur maximale et un élément mobile actionnable à l'intérieur de la chambre pour moduler ledit volume de la chambre entre ladite valeur nulle et ladite valeur maximale,La chambre de ladite pompe est configurée pour présenter un volume ayant une valeur maximale au moins égale à ladite valeur déterminée du volume du circuit microfluidique d'analyse (2),Le canal de répartition (20) est configuré pour présenter une résistance fluidique d'une valeur inférieure à celle de chaque résistance fluidique de chaque canal secondaire d'entrée (22a),- Chaque canal secondaire d'entrée (22a) est configuré pour présenter une résistance fluidique ayant une valeur choisie pour assurer une durée de remplissage identique pour toutes les chambres (CHj) en parallèle du circuit microfluidique d'analyse,- Chaque chambre est configurée pour présenter un volume ayant une valeur choisie pour assurer une durée de remplissage identique pour toutes les chambres (CHj) en parallèle du circuit microfluidique d'analyse.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chambres (CHj) en parallèle comportent au moins une première chambre (CH1) d'un premier volume (VU) et une deuxième chambre (CH2) d'un deuxième volume (VI2), ledit premier volume ayant une valeur supérieure de celle dudit deuxième volume et en ce que lesdits canaux secondaires d'entrée comporte un premier canal d'entrée débouchant dans ladite première chambre (CH1) et un deuxième canal secondaire d'entrée débouchant dans ladite deuxième chambre (CH2) et en ce que le premier canal secondaire d'entrée comporte une résistance fluidique ayant une valeur (R1) inférieure à la valeur (R2) de la résistance fluidique dudit deuxième canal secondaire d'entrée et configurée pour assurer une durée de remplissage identique pour la première chambre et la deuxième chambre.
- 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les chambres présentent un volume ayant une valeur identique.
- 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chambres présentent une forme identique.
- 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les canaux secondaires d'entrée présentent tous une résistance fluidique de valeur identique et une longueur identique.
- 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque canal qui débouche dans une chambre se termine par un coude.
- 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit microfluidique d'analyse (2) comporte un canal de sortie (21) et plusieurs canaux secondaires de sortie (22b) reliant chaque chambre audit canal de sortie.
- 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pompe (10) est réalisée sous la forme d'une capsule (100) microfluidique formant sa chambre d'un volume modulable entre une valeur nulle et une valeur maximale et une membrane (103) déformable à l'intérieur de la chambre pour moduler ledit volume de la chambre entre ladite valeur nulle et ladite valeur maximale.
- 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit microfluidique d'entrée (1) comporte un réservoir (13) agencé en amont de ladite pompe et un premier canal de liaison (11) reliant ledit premier réservoir (13) au volume interne de ladite pompe.
- 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit microfluidique d'entrée comporte une vanne (V3) agencée entre la pompe (10) et ledit réservoir (13).
- 11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit microfluidique d'entrée comporte en amont de ladite pompe un premier réservoir (130) relié à la pompe (10) via un premier canal de liaison et un deuxième réservoir (131) relié à ladite pompe via un deuxième canal de liaison, en parallèle du premier réservoir (130).
- 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une première vanne (V4) agencée sur ledit premier canal de liaison pour contrôler le flux de fluide du premier réservoir (130) vers la pompe (10).
- 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième vanne (V5) agencée sur ledit deuxième canal d'entrée pour contrôler le flux de fluide du deuxième réservoir (131 ) vers la pompe (10).
- 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit microfluidique de sortie (3) relié audit circuit microfluidique d'analyse (2).
- 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le circuit microfluidique de sortie comporte un réservoir (30) de sortie destiné à recueillir le fluide en sortie.
- 16. Dispositif selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il comporte une première vanne (V1) agencée entre le circuit microfluidique d'entrée (1) et le circuit microfluidique d'analyse (2) et une deuxième vanne (V2) agencée entre le circuit microfluidique d'analyse (2) et le circuit microfluidique de sortie (3).
- 17. Système microfluidique comprenant un système de commande (5) comportant une unité de commande et de traitement et un mécanisme d'actionnement commandé par ladite unité de commande et de traitement, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif microfluidique tel que défini dans l'une des revendications précédentes, la pompe (10) dudit dispositif étant configurée pour être actionnée par ledit mécanisme d'actionnement.
- 18. Système selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit mécanisme d'actionnement est de type pneumatique et en ce qu'il est configuré pour appliquer une pression déterminée sur ledit élément mobile de ladite pompe.
- 19. Procédé d'analyse d'un fluide, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à l'aide d'un système microfluidique tel que défini dans la revendication 17 ou 18, ledit procédé comprenant une étape de commande d'un actionnement de la pompe (10) du système pour injecter ledit fluide dans le dispositif microfluidique par une application d'une seule impulsion de pression sur ledit élément mobile de ladite pompe, ladite impulsion de pression étant déterminée pour assurer une durée de remplissage du fluide identique dans toutes les chambres.
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| FR3068027B1 (fr) | 2023-03-10 |
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