WO2000053321A1 - Appareil permettant en son sein le transfert de liquides par capillarite - Google Patents

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  • FIG. 2 represents a partial cross-sectional view along A-A of FIG. 1.

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Abstract

La présente invention concerne un appareil (1) comportant au moins une surface plane (2) au niveau de laquelle des compartiments (3) sont présents et délimités par une cloison (4), les compartiments créant un espace qui permet le déplacement de manière indépendante d'au moins un échantillon liquide (5 et/ou 15) et, lorsqu'il y a au moins deux échantillons liquides (5 et 15), leur déplacement indépendant et leur mise en présence pour les faire réagir ensemble. Les compartiments (3) sont constitués d'au moins deux types différents de rainures: un premier type de rainure(s) dite(s) profonde(s) (6), faisant office de moyen de cloisonnement du ou des échantillons (5 et/ou 15), et un second type de rainure(s) dite(s) superficielle(s) (16), faisant office de moyens de réception dudit ou desdits échantillons (5 et/ou 15), les deux types de rainures (6 et 16) permettant de guider les déplacements du ou des échantillons (5 et/ou 15) en fonction de l'orientation donnée à l'appareil (1). L'invention trouve une application préférentielle dans le domaine de la micro-fluidique appliquée à la biologie.

Description

Appareil permettant en son sein le transfert de liquides par capillarité
DESCRIPTION
La présente invention concerne un appareil qui comporte en son sein des compartiments délimités par une cloison, créant un espace pour le déplacement orienté et de manière indépendante d'au moins un échantillon liquide. Lorsqu'il y a au moins deux échantillons liquides différents, il est possible de les déplacer, de les faire converger et de les faire réagir ensemble.
De nombreux documents de l'état de la technique font intervenir la capillarité en micro-βuidique. Ainsi le document GB-A-2.261.284 propose un appareil de transfert de liquides pour effectuer des tests diagnostiques. Cet appareil utilise des canaux constitués d'un matériau poreux.
Dans ce mode de réalisation, la fonction de capillarité est utilisée du fait de l'usage d'un matériau poreux. Ceci nécessite l'insertion de ce matériau poreux et également de prévoir un matériau imperméable entre deux canaux en matière poreuse contenant des liquides différents. Cette technique est donc assez onéreuse à mettre en œuvre.
Le brevet US-A-5, 842, 787 a pour objet des systèmes micro-fluidiques qui incorporent des canaux de dimensions variables. Ces canaux ont essentiellement des profondeurs qui peuvent varier. Néanmoins ces variations sont également associées à la largeur de ces canaux. Ainsi plus la profondeur d'un canal est importante, plus sa largeur est faible, et vice versa.
Ces canaux ne sont malheureusement pas ouverts, en d'autres termes les liquides, devant être transférés en leur sein, occupent normalement toute la section de ces canaux. Il y a donc de nombreuses forces de rétention qui nuisent aux déplacements de ces liquides, ce qui nécessite des moyens de transferts plus sophistiqués (pompes plus puissante, création de vides plus importants, etc.).
Dans le brevet US-A-5,660,993, la capillarité est utilisée pour former une vanne, par croisement de deux canaux capillaires. Outre cette nouvelle fonction de fermeture et d'ouverture d'un flux liquide, les problèmes rencontrés sont identiques à ceux soulevés par le document précédent, puisque ces canaux sont fermés et qu'il existe donc des phénomènes de rétention.
Selon les documents EP-A-0.075.605 et WO-A-99/55852, des rainures superficielles et profondes sont associées pour le guidage de liquides.
Pourtant, l'utilisation de caractéristiques physiques (capillarité ou non) associées aux rainures profondes et superficielles ne sont absolument pas décrites et ne sont pas non plus évidentes pour l'homme du métier.
Conformément à la présente invention, l'appareil proposé résout l'ensemble des problèmes soulevés en proposant une structure qui utilise la capillarité pour permettre le déplacement de liquides tout en minimisant les phénomènes de rétention. Ceci permet un guidage parfaitement efficace même en présence d'un espace libre, qui n'assure pas de délimitation du liquide transféré.
A cet effet, la présente invention concerne un appareil comportant au moins une surface plane au niveau de laquelle des compartiments sont présents et délimités par une cloison, les compartiments créant un espace qui permet le déplacement de manière indépendante d'au moins un échantillon liquide et, lorsqu'il y a au moins deux échantillons liquides, leur déplacement indépendant et leur mise en présence pour les faire réagir ensemble, caractérisé par le fait que les compartiments sont constitués d'au moins deux types différents de rainures :
- un premier type de rainure(s) dite(s) profonde(s), faisant office de moyen de cloisonnement du ou des échantillons, la ou les rainures profondes sont à une distance de la cloison qui ne fait pas intervenir la capillarité, et - un second type de rainure(s) dite(s) superfιcielle(s), faisant office de moyens de réception dudit ou desdits échantillons, la ou les rainures superficielles sont à une distance de ladite cloison qui fait intervenir la capillarité, les deux types de rainures permettant de guider les déplacements du ou des échantillons en fonction de l'orientation donnée à l'appareil. Selon une variante préférentielle de réalisation, la largeur de chaque rainure profonde a une dimension qui ne fait pas intervenir la capillarité. Selon une autre variante ou un autre mode de réalisation, au moins une rainure superficielle est adjacente d'une rainure profonde.
Selon un autre mode de réalisation, qui peut être complémentaire du précédent, au moins une rainure profonde est adjacente d'une rainure superficielle. Préférentiellement, et quel que soit le mode de réalisation, une rainure profonde est positionnée entre deux rainures superficielles.
Dans ce cas, la rainure profonde comporte une extrémité libre, et les deux rainures superficielles se rejoignent au niveau de cette extrémité libre pour créer une zone de réaction. Selon un premier mode de réalisation, la zone de réaction est à une distance de la cloison ou du film de cloisonnement qui fait intervenir la capillarité.
Selon un second mode de réalisation, la zone de réaction est à une distance de la cloison ou du film de cloisonnement qui ne fait pas intervenir la capillarité.
Les figures ci-jointes sont données à titre d'exemple explicatif et n'ont aucun caractère limitatif. Elles permettront de mieux comprendre l'invention.
La figure 1 représente une vue en élévation de la face de l'appareil présentant le compartiment selon l'invention.
La figure 2 représente une vue en coupe transversale partielle selon A-A de la figure 1.
La figure 3 représente une vue identique à la figure 2 dans laquelle un échantillon liquide est présent.
La figure 4 représente une vue identique aux figures 2 et 3 dans laquelle deux échantillons liquides différents sont présents. La figure 5 représente une vue en coupe identique à la figure 2, mais d'un second mode de réalisation contenant un échantillon liquide.
Enfin, la figure 6 représente une vue en coupe identique à la figure 2, mais d'un troisième mode de réalisation de la présente invention, dans lequel un échantillon liquide est présent. La présente invention concerne un appareil 1 bien représenté sur l'ensemble des figures 2 à 6 en vue en coupe partielle selon trois différents modes de réalisation.
Un tel appareil 1 est utilisable pour l'analyse d'un ou plusieurs échantillons liquides différents dans lequel on cherche à identifier un ou plusieurs analytes, selon tous les processus simples ou complexes d'analyse mettant en jeu un ou plusieurs réactifs différents selon la nature chimique, physique ou biologique du ou des analytes recherchés. Les principes techniques définis ci-après ne sont pas limités à un analyte particulier, la seule condition requise étant que l'analyte soit distribué dans l'échantillon à analyser en suspension ou en solution. En particulier, le processus d'analyse mis en œuvre peut être effectué, sous forme homogène ou hétérogène ou mixte.
Un mode particulier, non limitatif d'un tel appareil, concerne l'analyse biologique, d'un ou plusieurs ligands, nécessitant pour leur détection et/ou leur quantification l'utilisation d'un ou plusieurs anti-ligands. Par ligand, on entend toute espèce biologique comme par exemple, un antigène, un fragment d'antigène, un peptide, un anticorps, un fragment d'anticorps, un haptène, un acide nucléique, un fragment d'acide nucléique, une hormone, une vitamine. Un exemple d'application des techniques d'analyse concerne les immunoessais, quelque soit leur format, par analyse directe ou par compétition. Un autre exemple d'application concerne la détection et/ou la quantification d'acides nucléiques comprenant l'ensemble des opérations nécessaires à cette détection et/ou cette quantification à partir d'un prélèvement quelconque contenant les acides nucléiques cibles. Parmi ces différentes opérations, on peut citer la lyse, la fluidification, la concentration, les étapes d'amplification enzymatique des acides nucléiques, les étapes de détection incorporant une étape d'hybridation utilisant par exemple une puce à ADN ou une sonde marquée. La demande de brevet WO-A- 97/02357 explicite différentes étapes nécessaires dans le cas d'analyse d'acides nucléiques.
Dans un mode particulièrement intéressant de réalisation représenté sur les figures 1 à 4, on remarque que l'appareil 1 est en fait constitué d'une carte dont les deux faces supérieure et inférieure sont parallèles l'une par rapport à l'autre. Bien entendu la position horizontale n'est absolument pas obligatoire, il est possible d'utiliser cette carte verticalement ou de manière inclinée.
Sur les figures, les deux faces sont planes mais la face supérieure est la plus intéressante pour la présente invention. Ainsi, la surface plane supérieure 2 de l'appareil 1 comporte des cavités qui créent des compartiments 3. Les compartiments sont cloisonnés par rapport aux surfaces affleurantes de la surface 2 par l'intermédiaire d'une cloison ou film de cloisonnement 4. Ce compartiment 3, ainsi isolé, est en fait constitué de différentes formes. Il y a tout d'abord deux rainures superficielles latérales 16 et ensuite une rainure centrale profonde 6. Cette figure 2 correspond à la vue en coupe partielle selon A-A de la figure 1. Dans cette figure 1, on remarque que les deux rainures superficielles 16 sont parallèles l'une par rapport à l'autre tout le long de la rainure profonde 6. Néanmoins, la rainure profonde 6 comporte une extrémité libre 7 où les deux rainures superficielles 16 se rejoignent afin de créer une zone de réaction 8.
Il est possible d'isoler un premier échantillon liquide 5 au niveau d'une des rainures superficielles 16. C'est le cas de la figure 3. Il est également possible d'isoler en plus un second échantillon liquide 15 au niveau de l'autre rainure superficielle 16. C'est le cas de la figure 4. En fait, pour que les liquides 5 et 15 restent en position au niveau des languettes superficielles 16 et ne se mélangent pas, il est nécessaire que la distance séparant le fond de la languette superficielle 16 par rapport au film de cloisonnement 4 soit suffisamment faible pour faire intervenir la force de capillarité. La distance adéquate entre le film 4 et la rainure 16 pour avoir une force de capillarité optimale est comprise entre 50 et 800 micromètres (μm), et préférentiellement entre 300 et 500 μm. Dans le cas d'un appareil constitué d'une carte usiné en polystyrène choc et d'un film BOPP et du transfert d'une solution aqueuse contenant par exemple 9g/l de NaCl, lg/1 de NaN3, 1 ml/1 de Tween 20 (marque déposée) ou du Triton XI 00
(marque déposée), la distance entre le film 4 et la rainure 16 est choisie à 400 μm . Cette dimension est en fait caractéristique des liquides 5 et/ou 15 qui sont utilisés dans l'appareil 1 en relation avec la nature des matériaux utilisés dans l'appareil. En fonction de la viscosité, de la densité, de la mouillabilité ou de la tension superficielle des liquides et en fonction de la nature hydrophile ou hydrophobe des matériaux utilisés, comme par exemple le film de cloisonnement ou la carte, il sera nécessaire de faire varier éventuellement cette distance.
A contrario, la distance séparant le film 4 du fond de la rainure profonde 6 est très importante de sorte qu'aucune force de capillarité ne permette la rétention de liquide 5 ou 15 à ce niveau. Il est bien entendu évident qu'il est nécessaire, qu'au niveau de la largeur de cette rainure profonde, il n'y ait aucune possibilité de faire intervenir la capillarité.
La nature du film flexible peut varier en fonction de la nature de la carte d'analyse et des fluides testés notamment pour des raisons de compatibilité. Par exemple, un film polymère TPX (polyméthylepentène) ou BOPP (polypropylène bi- orienté) permet de réaliser des tests biologiques. La fixation de ces films peut être réalisée par collage (enduction de colle comme par exemple les colles silicones sur le film) ou par soudure. Un exemple de BOPP adhésif est fourni par la société BioMérieux Inc (St Louis, MO, USA) sous la référence 022004-2184. En terme de réalisation, la carte d'analyse est obtenue par usinage d'une matière plastique technique comme par exemple le polystyrène choc référence R540E de la société GOODFELLOW, compatible avec les liquides traités. Dans un mode de réalisation industriel, la carte pourrait être obtenu par moulage de précision, mais toutes autres méthodes de fabrication et notamment celles utilisées dans les techniques de semi-conducteur comme celles décrites dans la demande de brevet WO-A-97/02357 sont utilisables pour la fabrication de la carte d'analyse.
Bien entendu, il est possible d'imaginer un certain nombre d'autres modes de réalisation qui sont représentés sur les figures 5 et 6. Sur la figure 5, il s'agit sensiblement d'une construction inverse au premier mode de réalisation des figures 1 à 4. Ainsi, sur la figure 5, la rainure superficielle 16 est située au centre et est entourée de deux rainures profondes 6. L'échantillon liquide 5 est alors uniquement en contact avec le fond de la rainure superficielle 16.
Dans un autre mode de réalisation, il est possible selon la figure 6 de n'avoir qu'une seule rainure superficielle 16 et une seule rainure profonde 6. Bien entendu, tous les cas de figure sont possibles et envisageables. Ainsi, il peut y avoir une multitude de successions de rainures profondes 6 ou superficielles 16. La seule nécessité réside dans le fait que les rainures profondes 6 sont intercalées entre les rainures superficielles 16 et vice versa. L'introduction des liquides 5 et/ou 15 peut être effectuée par l'intermédiaire de systèmes de vannes, de pompes et/ou de canaux tels que décrits dans les demandes de brevets déposées ce jour par la demanderesse sous les titres suivants :
- « Dispositif et procédé de positionnement d'un liquide », pour le premier document,
- « Dispositif de pompage permettant de transférer au moins un fluide dans un consommable », pour le deuxième document, et enfin
- « Carte d'analyse à remplissage amélioré », pour le troisième document.
Le mouvement des liquides 5 et 15 est réalisé de différentes manières. Par exemple, on peut engendrer des vibrations ; on peut positionner la carte 1 dans une position sensiblement verticale, dans laquelle les liquides ont leur mouvement qui est facilité par la gravité ; on peut utiliser la force centrifuge. Des systèmes de pompage peuvent être incorporés à l'intérieur ou à l'extérieur de l'appareil, comme par exemple des pompes à diaphragme (US-A-5,277,556), des pompes péristaltiques piézoélectriques (US-A-5, 126,022), des systèmes de transport par ferrofluides, des pompes électriques et hydrodynamiques (Richter et al., Sensors and Actuators, 29, pi 59- 165, 1991). Il est également possible d'utiliser la combinaison d'au moins deux de ces techniques.
REFERENCES
1. Appareil
2. Surface plane de l'appareil 1
3. Compartiments 4. Cloison ou film de cloisonnement
5. Premier échantillon liquide
6. Premier type de rainure dite profonde
7. Extrémité libre de la rainure 6
8. Zone de réaction 15. Second échantillon liquide
16. Second type de rainure dite superficielle

Claims

REVENDICATIONS
1. Appareil (1) comportant au moins une surface plane (2) au niveau de laquelle des compartiments (3) sont présents et délimités par une cloison (4), les compartiments créant un espace qui permet le déplacement de manière indépendante d'au moins un échantillon liquide (5 et/ou 15) et, lorsqu'il y a au moins deux échantillons liquides (5 et 15), leur déplacement indépendant et leur mise en présence pour les faire réagir ensemble, caractérisé par le fait que les compartiments (3) sont constitués d'au moins deux types différents de rainures :
- un premier type de rainure(s) dite(s) profonde(s) (6), faisant office de moyen de cloisonnement du ou des échantillons (5 et/ou 15), la ou les rainures profondes (6) sont à une distance de la cloison (4) qui ne fait pas intervenir la capillarité, et
- un second type de rainure(s) dite(s) superficielle(s) (16), faisant office de moyens de réception dudit ou desdits échantillons (5 et/ou 15), la ou les rainures superficielles (16) sont à une distance de ladite cloison (4) qui fait intervenir la capillarité, les deux types de rainures (6 et 16) permettant de guider les déplacements du ou des échantillons (5 et/ou 15) en fonction de l'orientation donnée à l'appareil (1).
2. Appareil, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la largeur de chaque rainure profonde (6) a une dimension qui ne fait pas intervenir la capillarité.
3. Appareil, selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'au moins une rainure superficielle (16) est adjacente d'une rainure profonde (6).
4. Appareil, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'au moins une rainure profonde (6) est adjacente d'une rainure superficielle (16).
5. Appareil, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'une rainure profonde (6) est positionnée entre deux rainures superficielles (16).
6. Appareil, selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la rainure profonde (6) comporte une extrémité libre (7), et que les deux rainures superficielles (16) se rejoignent au niveau de cette extrémité libre pour créer une zone de réaction (8).
7. Appareil, selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la zone de réaction (8) est à une distance de la cloison ou du film de cloisonnement (4) qui fait intervenir la capillarité.
8. Appareil, selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la zone de réaction est à une distance de la cloison ou du film de cloisonnement (4) qui ne fait pas intervenir la capillarité.
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