Brevet FR2794861A1 — publié le 20001215

Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un dispositif de lecture de puce biologique. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de lecture de puce à acides nucléiques communément appelée puce à ADN (ADN pour Acide désoxyribonucléique). L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines tels que, par exemple, le domaine de la biologie moléculaire pour la reconnaissance des anticorps et antigènes, le séquençage des génomes, la recherche de mutations responsables de maladies, etc. Les dispositifs de lecture de puce biologique utilisent la technique de fluorescence. La technique de fluorescence consiste à mélanger une substance dont l'identification et/ou la concentration est à déterminer avec une substance ayant la capacité d'émettre une lumière fluorescente sous l'action d'un rayonnement lumineux. Une puce à ADN est constituée d'une matrice de N x M plots, chaque plot contenant un mélange de substances tel que mentionné ci-dessus, c'est-à-dire susceptible d'émettre une lumière fluorescente par illumination. Selon l'art connu, la lecture d'une puce à ADN est effectuée soit par illumination simultanée de la totalité des plots de la puce, soit par balayage de la puce plot par plot. Les documents US-A-5 578 832, WO-97 4361 et US-A-5 646 411 divulguent des dispositifs de lecture comprenant un microscope à balayage utilisé en confocal ou non-confocal pour analyser plot par plot une puce à ADN. Le document US-A-5 585 639 divulgue un dispositif de lecture à barrette linéaire assurant une lecture séquentielle de la puce et une reconstruction de l'image 2D de la fluorescence de la puce. Le dispositif de lecture effectue un balayage linéaire des différents plots de la puce. Un moteur entraîne un miroir en rotation de façon à permettre à un faisceau lumineux d'effectuer un balayage selon une ligne. Le balayage complet de la puce est obtenu par translation d'un support sur lequel est positionnée la puce. Les dispositifs de lecture tels que ceux mentionnés ci-dessus nécessitent de positionner avec une grande précision la puce à ADN par rapport au faisceau lumineux. I1 est également nécessaire que soit effectuée une mise au point quasi-parfaite du faisceau lumineux à la surface de la puce. De tels dispositifs sont délicats à mettre au point. Le temps de réglage qui précède la mise en route des mesures de fluorescence peut être relativement long. L'invention ne présente pas ces inconvénients. En effet, l'invention concerne un dispositif de lecture par fluorescence d'une puce biologique comprenant au moins une ligne de M plots, le dispositif comprenant un moyen pour éclairer la puce biologique et un moyen pour détecter une lumière fluorescente issue de la puce. Le moyen pour éclairer la puce biologique comprend un moyen pour éclairer la puce sous la forme d'une bande de lumière recouvrant au moins une ligne de M plots. L'invention concerne également une puce biologique comprenant au moins une ligne de M plots, chaque plot contenant une substance pouvant émettre une lumière fluorescente sous l'action d'un moyen d'éclairage de la surface de la puce, la lumière fluorescente émise étant détectée par un moyen de détection. La puce biologique comprend à sa surface des moyens permettant de synchroniser un mouvement de la puce et la détection de la lumière fluorescente. Un avantage de l'invention est de ne pas nécessiter un positionnement précis de la puce par rapport au moyen d'éclairage de la puce. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures ci-annexées parmi lesquelles - la figure 1 représente un schéma de principe de dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention, - la figure 2 représente un premier mode de réalisation du dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention, - la figure 3 représente une puce biologique correspondant à un dispositif de lecture selon le premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention. Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La figure 1 représente un schéma de principe de dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention. Le dispositif de lecture comprend un moyen d'éclairage (F, 1) d'une puce biologique 5 et un moyen de détection (2, 3, 4) de la lumière fluorescente issue de la puce biologique. Le moyen d'éclairage de la puce comprend un élément optique 1, tel que, par exemple, une lentille de Pauwells, pour transformer un faisceau laser F en une bande B de lumière laser permettant d'éclairer au moins une ligne de M plots Pl, P2, ..., PM de la puce 5. Préférentiellement, une seule ligne de plots est éclairée par la bande B de lumière. Comme cela sera décrit plus en détail à la figure 3, la largeur e de la bande B est alors légèrement supérieure à la largeur des plots Pl, P2, ..., PM d'une même ligne de plots. A titre d'exemple non limitatif, une lentille de Pauwells permet d'obtenir une bande de lumière laser d'environ 100 um de large sur 5 mm de long, à une distance de 30 mm de la puce et sous une incidence proche de 45 . Pour un faisceau laser de puissance sensiblement égale à 10 mW, la densité de puissance obtenue à la surface de la puce est alors d'environ 0,02 uW/um2. Un avantage de l'invention est de pouvoir utiliser un microlaser de relativement faible puissance tout en garantissant une densité de puissance relativement importante sur la ligne de plots illuminée. Un tel microlaser présente un MTBF de 30000 heures. Le dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention présente alors une grande fiabilité. La profondeur de champ de la bande de lumière laser, c'est-à-dire la distance sur laquelle la largeur de la bande croît d'un facteur est égale à où W (communément appelé "waist") est la largeur de la bande de lumière à 1/e2 et k la longueur d'onde de la lumière. Dans l'exemple choisi, la profondeur de champ est ainsi égale à 15 mm. Avantageusement, selon l'invention, il n'y a donc pas de problème de positionnement, en hauteur, de la puce vis-à-vis du moyen d'éclairage de la puce. Le moyen de détection de la lumière fluorescente issue de la puce biologique 5 comprend un objectif 2, un filtre optique 3 et un détecteur 4. Le détecteur 4 est préférentiellement un détecteur de type CCD (CCD pour "Charge Coupled Device") comprenant un grand nombre de pixels image. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cas où la puce biologique est de dimensions relativement faibles (par exemple lmm x 2mm) et où les plots d'une même ligne sont relativement peu nombreux (par exemple 10 à 100) et bien espacés les uns des autres (par exemple 100 um bord à bord). Une telle puce peut être, par exemple, une puce de type Dans le cas de l'application de l'invention à une puce de dimensions 0, 8mm x 1, 6mm, l'objectif 2 est choisi, par exemple, avec un grossissement de 5. Le champ image est alors de 4mm x 8mm. Le détecteur 4 peut être, par exemple, une barrette de type TDI (TDI pour "Time Delay Integration") comprenant des pixels image de 250 um x 250 um. Pour un objectif tel que mentionné ci-dessus, c'est-à-dire grossissant 5 fois, l'ouverture peut être de l'ordre de 0,1 et la tolérance de positionnement en hauteur typiquement égale à 50 um. Il s'ensuit que la puce peut être positionnée avec une tolérance de 0,1 mm. Pour une puce ayant, par exemple, une longueur de 2 mm, l'inclinaison que peut présenter l'axe défini par une ligne de plots par rapport à l'axe défini par la barrette de détection peut alors avantageusement atteindre 3 . La barrette de détection fonctionne par sommation des lignes CCD. I1 s'ensuit une excellente sensibilité de détection (par exemple, quelques dizaines de photons /um'/s) ainsi qu'une excellente dynamique (typiquement une dynamique de 16 bits). Avantageusement, la sommation des signaux détectés permet de prendre en compte toute la puissance de la lumière fluorescente émise par un plot, et cela même dans le cas où la puce est inclinée d'un angle de quelques degrés (typiquement inférieur ou égal à 3 , tel que dans l'exemple décrit ci-dessus). La figure 2 représente un premier mode de réalisation du dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention. Le moyen d'éclairage de la puce 5 comprend une source de radiations 7, un élément optique 6, une lentille de Pauwells 1 ou une optique sphéro- cylindrique. La source de radiations 7 est, de préférence, un microlaser émettant dans le vert. A titre d'exemple non limitatif, un microlaser ayant une puissance de l'ordre de 10 mW et un diamètre de faisceau de l'ordre de 200 um peut être utilisé. L'élément optique 6 permet de réduire d'un facteur 2 le diamètre du faisceau laser. Il est alors possible d'obtenir un faisceau laser de diamètre sensiblement égal à 100 um en sortie de l'élément optique 6. Les éléments 1, 6, 7 qui constituent le moyen d'éclairage et les éléments 2, 3, 4 qui constituent le moyen de détection de la lumière fluorescente sont intégrés dans une structure 9 du type lecteur de carte présentant une fente 11. La puce biologique 5 est fixée sur un support 8. La structure 9 comprend une table de translation motorisée 10 qui permet l'introduction du support 8 dans la structure 9 par la fente 11. La table de translation motorisée 10 est animée d'une vitesse sensiblement constante. Avantageusement, il n'est pas nécessaire que la vitesse de translation de la table soit contrôlée. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, c'est durant le mouvement de saisie du support 8 que s'effectue le balayage de la puce 5 par le faisceau laser issu du moyen d'éclairage. A cette fin, le dispositif selon l'invention comprend des moyens (non représentés sur la figure 2) pour déclencher le balayage de la puce lors de l'introduction du support 8 dans la fente 11. A titre d'exemple non limitatif, le support 8 sur lequel est fixée la puce biologique 5 peut être au format carte bancaire et le système d'entraînement du support un système d'entraînement tel que celui des distributeurs à cartes bancaires. La figure 3 représente une puce biologique correspondant à un dispositif de lecture selon le premier mode de réalisation de l'invention. La puce biologique 5 comprend N lignes de M plots Pjl, Pj2, ..., PjM (j=1, 2, ..., N). La puce biologique 5 est, par exemple, une puce du type Le nombre N est alors compris entre 1 et 1000 et le nombre M entre 1 et 100. Les plots d'une même ligne Pjl, Pj2, ..., PjM sont espacés, bord à bord, d'une distance d'environ 100 um. A chaque ligne de plots Pjl, Pj2, ..., PjM sont associés des plots de synchronisation aj, bj, cj, dj (j=1, 2, ..., N). Les plots de synchronisation sont ordonnés de façon à définir deux pistes situées de part et d'autre de la puce 5. L'invention concerne également le cas où la synchronisation est obtenue par une seule piste de plots. La présence de deux pistes permet d'améliorer la synchronisation et, éventuellement, de compenser une inclinaison de la puce. Une première piste est constituée de la succession des plots de synchronisation al, cl, a2, c2, a3, c3, ... , aN, cN. Une deuxième piste est constituée de la succession des plots de synchronisation b1, dl, b2, d2, b3, d3, ..., bN, dN. Les plots aj et bj (j=1,2, ..., p) définissent un axe parallèle à l'axe défini par la ligne de plots pi 1, pi 2, ..., PiM. Les plots cj et dj définissent également un axe parallèle à la ligne de plots Pjl, Pj 2, . . . , PjM. Les plots de synchronisation sont aptes à réfléchir la lumière qu'ils reçoivent en provenance du moyen d'éclairage. La lumière réfléchie simultanément par un couple de plots (aj, bj) est détectée par le moyen de détection sous forme d'une impulsion déclenchant l'intégration des charges dans le détecteur 4. De même, la lumière réfléchie simultanément par un couple de plots (cj, dj) est détectée par le moyen de détection sous forme d'une impulsion arrêtant l'intégration des charges dans le détecteur 4. A titre d'exemple non limitatif, la distance L1 qui sépare les plots de synchronisation aj et cj (respectivement bj et dj) peut être égale à 75 um et la distance L2 qui sépare les plots de synchronisation cj et aj+l (respectivement dj et bj+l) peut être égale à 25 um. Pour une durée d'illumination de 100 ms entre deux déclenchements d'intégration successifs de charges dans le détecteur 4, il est alors possible de réserver les 75 premières ms à l'intégration des charges dans le détecteur et les 25 dernières ms à l'évacuation des charges intégrées. La vitesse de balayage de la puce 5 peut donc être égale à 100 um/100 ms soit 1 mm/s. Avantageusement, un balayage complet de la puce peut alors être effectué en quelques secondes. Selon le mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus, la synchronisation entre le mouvement de la puce et la détection est faite à l'aide de plots de synchronisation disposés sur la puce. L'invention concerne également d'autres modes de synchronisation. Il peut s'agir, par exemple, de l'utilisation, en liaison avec des codeurs magnétiques, de pistes magnétiques situées en surface de la puce ou encore d'une synchronisation par système d'entraînement avec roue codeuse. La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention. Selon le mode de réalisation de la figure 4, la bande B de lumière laser est balayée à la surface de la puce biologique 5 à l'aide d'un moyen déflecteur 12 tel que, par exemple, un déflecteur acousto-optique, un miroir galvanométrique, etc. Selon ce deuxième mode de réalisation de l'invention, le balayage de la puce n'est pas effectué lors de l'introduction du support 8 dans une structure 9. I1 n'est alors pas nécessaire que la puce biologique comprenne des éléments (plots de synchronisation, pistes magnétiques) qui participent à la synchronisation entre le balayage de la puce et la détection de la fluorescence. La synchronisation est alors effectuée par tout moyen connu. REVENDICATIONS 1. Dispositif de lecture par fluorescence d'une puce biologique (5) comprenant au moins une ligne de M plots (Pj 1, Pj 2, . . . , PjM), le dispositif comprenant un moyen (F, 1) pour éclairer la puce biologique (5) et un moyen (2, 3, 4) pour détecter la lumière fluorescente issue de la puce biologique (5), caractérisé en ce que le moyen (F, 1) pour éclairer la puce biologique (5) comprend un moyen (1) pour éclairer la puce sous la forme d'une bande (B) de lumière recouvrant au moins une ligne de M plots (Pjl, Pj2, ... ., PjM). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de balayage (10, 12) permettant que la bande (B) de lumière balaye la totalité de la surface de la puce biologique (4). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de synchronisation entre le moyen de balayage (10, 12) et le moyen (2, 3, 4) pour détecter la lumière fluorescente. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le moyen de balayage (10, 12) est une table de translation motorisée (10). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le moyen de balayage (10, 12) est un moyen déflecteur (12) de la lumière issue du moyen (1) pour éclairer la puce (5). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de synchronisation comprennent des moyens de traitement de signaux issus de la puce biologique (5). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de traitement de signaux issus de la puce biologique comprennent des codeurs magnétiques. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens de synchronisation comprennent un système d'entraînement avec roue codeuse. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen (2, 3, 4) pour détecter la lumière fluorescente comprend un détecteur CCD (4). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen (2, 3, 4) pour éclairer la puce biologique (5) comprend un microlaser (7). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le microlaser (7) a une puissance sensiblement égale à 10 mW. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen (1) pour éclairer la puce (5) sous la forme d'une bande (B) de lumière recouvrant au moins une ligne de M plots (Pjl, Pj2, ..., PjM) est une lentille de Pauwells. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend une fente (11) par laquelle on introduit un support (8) sur lequel est fixé la puce biologique (5). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déclencher le balayage de la puce lors de l'introduction du support (8) dans la fente (11). 15. Puce biologique (5) comprenant au moins une ligne de M plots (Pjl, Pj2, ..., PjM), chaque plot contenant une substance pouvant émettre une lumière fluorescente sous l'action d'un moyen d'éclairage de la surface de la puce, la lumière fluorescente émise étant détectée par un moyen de détection, caractérisée en ce qu'elle comprend à sa surface des moyens (aj, bj, cj, dj) permettant de synchroniser un mouvement de la puce et la détection de la lumière fluorescente. 16. Puce biologique (5) selon la revendication 15, caractérisée en ce que les moyens (aj, bj, cj, dj) permettant de synchroniser le balayage de la puce et la détection de la lumière fluorescente sont des plots réflecteurs définissant au moins une piste. 17. Puce biologique (5), selon la revendication 16, caractérisée en ce que les moyens (aj, bj, cj, dj) pour synchroniser le mouvement de la puce et la détection de la lumière fluorescente comprennent au moins une piste magnétique.