Brevet FR2797054A1 — publié le 20010202

DISPOSITIF DE LECTURE DE PUCE BIOLOGIQUE 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, la détection bactérienne, 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. 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. Un dispositif de lecture de puce à ADN comprend un moyen d'éclairage de la puce et un moyen pour détecter la lumière fluorescente issue de la puce. Le moyen d'éclairage de la puce comprend généralement une source laser, des moyens optiques pour mettre en forme le faisceau issu de la source laser, des moyens permettant de diriger le faisceau laser vers la puce et des moyens permettant de balayer le faisceau laser à la surface de la puce. De même, le moyen pour détecter la lumière fluorescente issue de la puce comprend généralement des moyens optiques pour mettre en forme la lumière fluorescente, des moyens de détection de la lumière fluorescente et des moyens électroniques pour traiter les signaux issus des moyens de détection. Afin de pouvoir lire des puces à ADN hors du laboratoire (par exemple, pour le diagnostic médical ou encore pour la détection bactérienne sur site dans le domaine agro-alimentaire), il a été conçu des dispositifs intégrés utilisant des instruments moins encombrants et moins coûteux que ceux utilisés en laboratoire. Le document intitulé "Development of a DNA biochip for Bene diagnosis", T. Vo-Dinh et al., SPIE, vol. 3253 divulgue un microdispositif intégrant un système d'excitation/détection électro-optique et des circuits électroniques de traitement. Un tel dispositif est dépourvu de moyens de balayage de la puce. Ceci présente l'inconvénient de nécessiter un éclairage de la puce avec une source de puissance élevée (typiquement 400 mW pour une puce de 2 mm x 2 mm) Le document intitulé "A review of microfabricated devices for gene-based diagnostics", M. Eggers et D. Ehrlich, Hematologic Pathology, 9(1), 1-15 (1995) divulgue un microdispositif d'analyse par électrophorèse comprenant une partie microfluidique incorporé dans la puce. Le document intitulé "A microsensor array for biochemical sensing", F. Van Steenkiste et a1., Sensors and Actuators 13, 44 (1997), 409-412 divulgue un dispositif de mesure des propriétés biochimiques des liquides biologiques. De façon générale, les solutions connues pour réaliser des dispositifs de lecture miniaturisés de puces biologiques proposent soit des dispositifs présentant une structure classique - mais miniaturisée - comprenant, entre autres, un microscope, soit des dispositifs intégrés où toutes les fonctions sont regroupées. De telles solutions présentent de nombreux inconvénients. En particulier, les dispositifs de type intégré qui regroupent l'excitation laser et le balayage augmentent très sensiblement la complexité de la puce biologique et, partant, le coût de celle-ci. En effet, de façon générale, les photodétecteurs sont réalisés à base de matériau silicium en technologie MOS (MOS pour "Métal Oxyde Semi-conducteur"). Par ailleurs, la source laser et les moyens de balayage utilisent d'autres technologies et des matériaux différents du silicium. Il est alors nécessaire d'effectuer un report de la partie source laser/balayage sur la partie photodétecteur. Ce report est une opération délicate et, partant, coûteuse. Exposé de l'invention L'invention ne présente pas cet inconvénient. En effet, l'invention concerne un dispositif de lecture de puce biologique comprenant au moins une ligne de M plots, M étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, le dispositif comprenant un bloc optique constitué de moyens d'éclairage de la puce comprenant une source laser et des moyens de balayage pour balayer, à la surface de la puce, un faisceau laser issu de la source laser. Le dispositif comprend des moyens pour constituer une information (I) relative à la position d'au moins un plot de la puce par rapport aux moyens d'éclairage et des moyens pour constituer un signal de commande (B) des moyens de balayage à partir de ladite information (I). L'invention concerne également une puce biologique comprenant au moins une ligne de M plots (P), M étant un nombre entier supérieur ou égal à 1. Chaque plot est entouré d'une zone réfléchissante (Z). Un dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention est un système miniaturisé facilement transportable, utilisable aussi bien hors laboratoire qu'en laboratoire et permettant l'obtention d'excellente performances. Les moyens pour illuminer la puce comprennent une source laser, des moyens optiques pour mettre en forme un faisceau lumineux issu de la source laser, des moyens pour diriger le faisceau laser vers la puce et des moyens de balayage du faisceau laser à la surface de la puce. Avantageusement, le circuit imprimé comprend des circuits électroniques pour alimenter et contrôler, entre autres, la source laser, les moyens photodétecteurs, les moyens de balayage, ainsi qu'une zone mémoire pour stocker les données issues des moyens de détection de la fluorescence. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, la puce biologique est une puce active. Par "puce active", il faut entendre une puce sur laquelle sont intégrés les photodétecteurs qui reçoivent l'émission de fluorescence. Selon l'invention, le champ balayé par le faisceau lumineux est plus grand que la superficie de la puce. Il n'est alors pas nécessaire de déplacer la puce par rapport aux moyens d'éclairage. Afin que s'effectue correctement le balayage de la puce, il est ainsi suffisant d'effectuer un repérage des plots. 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 - les figures 1A et 1B représentent un dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention, - la figure 2 représente un plot de puce biologique selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Les figures 1A et 1B représentent un dispositif de lecture de puce biologique selon l'invention. La figure 1A représente une vue en perspective du dispositif. Le dispositif de lecture comprend un circuit imprimé 1 et un bloc optique 2. Le circuit imprimé 1 est muni d'un connecteur 5 dans lequel vient s'enficher, lors de la lecture de la puce, un support 3 sur lequel la puce 4 est positionnée. Le bloc optique 2 comprend des moyens pour illuminer la puce et des moyens pour détecter la lumière réfléchie et/ou diffusée issue de la puce. Le bloc optique 2 est décrit plus en-détail en figure 1B. Selon l'invention, le bloc optique 2 vient s'enficher dans le circuit imprimé 1 et le support 3 dans le connecteur 5. Avantageusement, il n'est pas nécessaire que la précision du positionnement du bloc optique dans le circuit imprimé de même que la précision du positionnement du support 3 dans le connecteur 5 soient supérieures à 1/lOème de millimètre. Le dispositif de lecture selon l'invention présente avantageusement un encombrement très réduit ainsi qu'une grande maniabilité. L'encombrement d'un tel système peut être, par exemple, de l'ordre de 200x100x100 mm3. La figure 1B représente une vue détaillée du bloc optique 2 en liaison avec une puce biologique 4. Le bloc optique 2 comprend un moyen d'éclairage 6 comprenant une source laser, des moyens 7 de balayage, selon deux dimensions, d'un faisceau issu de la source laser, des moyens 8 pour mettre en forme le faisceau issu des moyens de balayage 7, des moyens 9, 10 pour diriger et focaliser le faisceau laser vers la puce 4, une optique de détection 11 et des moyens photodétecteurs 12 pour recevoir et détecter la lumière renvoyée par la puce 4. Selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de balayage 7 sont constitués d'un déflecteur acousto-optique. Le balayage de la puce permet que les plots soient illuminés les uns après les autres. I1 n'est alors pas nécessaire que la source laser émette un signal de puissance élevée. L'illumination d'un plot de 50 um de côté peut être effectuée dans d'excellentes conditions avec un signal de 0,25 mW de puissance. Le balayage de la puce permet, par ailleurs, d'améliorer le rapport signal sur bruit. A titre d'exemple non limitatif, le faisceau laser que contient le moyen d'éclairage 6 peut avoir une puissance sensiblement inférieure à 5 mW et un diamètre de l'ordre de 150 pm. Selon l'invention, le signal lumineux renvoyé par la puce 4 contient une information relative à la position des plots par rapport aux moyens d'éclairage. Les moyens photodétecteurs 12 comprennent des moyens pour convertir l'information lumineuse relative à la position des plots en une information électrique I transmise à un circuit de traitement 13. Le signal S issu du circuit de traitement 13 est transmis à un circuit 14 de commande des moyens de balayage 7 qui reçoit, par ailleurs un signal de consigne C. Le signal S et le signal de consigne C sont comparés l'un à l'autre. Le circuit 14 de commande des moyens de balayage 7 délivre un signal de commande de balayage B à partir du signal d'erreur issu de la comparaison du signal S et du signal de consigne C. Il est alors possible d'obtenir un alignement des plots avec les moyens d'éclairage d'une très grande précision. Une précision inférieure à 5 um peut ainsi être obtenue pour des plots de 50 um de côté. Le circuit de traitement 13 et le circuit 14 de commande des moyens de balayage 7 sont préférentiellement réalisés sur le circuit imprimé 1. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens d'éclairage 6 comprennent, en plus de la source laser, au moins une diode électroluminescente pour éclairer la puce 4 en tout ou partie. L'optique de détection 11 comprend alors une matrice de microlentilles et les moyens de détection 12 comprennent une matrice CCD (l'acronyme CCD provenant de l'anglais "Charge Coupled Device"). L'image formée par la matrice CCD du fait de l'illumination de la puce par la lumière issue de la diode électroluminescente présente un effet de moiré au cas où la trame définie par les microlentilles est décalée par rapport à la trame définie par les plots de la puce. Le signal électrique qui traduit l'effet de moiré constitue, selon le premier mode de réalisation de l'invention, l'information I qui représente le désalignement entre la puce 4 et les moyens d'éclairage 6. Le circuit 13 de traitement de l'information électrique I permet de stocker l'image de la puce 4 et de repérer la position des plots de la puce dans un repère absolu. Le signal de consigne C est alors représentatif de la position que doivent occuper les plots pour assurer l'alignement idéal entre les moyens d'éclairage de la puce et la puce. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, c'est la lumière diffusée issue de la puce biologique qui est utilisée pour aligner les plots avec les moyens d'éclairage. Les moyens de détection 12 comprennent alors une photodiode pour détecter l'amplitude de la lumière diffusée par un plot de la puce. La position correcte d'un plot par rapport aux moyens d'éclairage est alors détectée par un maximum de la lumière diffusée à la longueur d'onde d'excitation. L'information I est alors constituée du signal électrique détecté d'amplitude maximum. Cette technique d'alignement est particulièrement avantageuse lorsque les plots des puces sont relativement espacés comme c'est le cas, par exemple, pour les puces MICAM. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, chaque plot P de puce biologique est entouré d'une zone réfléchissante z. La zone z est préférentiellement de forme circulaire comme représenté en figure 2. La zone Z est métallisée de façon à réfléchir la lumière qu'elle reçoit. Les moyens de détection 12 comprennent alors un détecteur quatre-quadrants sur lequel se forme l'image de la zone Z. Après la recherche d'un plot de référence et compte-tenu de l'erreur de positionnement de la puce par rapport à ce plot de référence, les moyens de balayage 7 sont programmés pour amener l'éclairage de la puce en regard d'un plot P de façon qu'une image du plot se forme sur le détecteur quatre-quadrants. De façon connue en soi, le détecteur quatre- quadrants permet alors de créer deux signaux d'erreur de positionnement, un premier signal d'erreur selon une première direction et un deuxième signal d'erreur selon une deuxième direction perpendiculaire à la première direction. Les deux signaux d'erreur constituent l'information I transmise au circuit de traitement 13. Ce troisième mode de réalisation de l'invention présente l'avantage de maintenir l'asservissement des moyens d'éclairage sur un plot alors même qu'une perturbation mécanique peut intervenir au niveau du lecteur. Par ailleurs, il n'est pas nécessaire que le déplacement du faisceau lumineux d'un plot à l'autre s'effectue de façon précise. REVENDICATIONS 1. Dispositif de lecture de puce biologique (4) comprenant au moins une ligne de M plots, M étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, le dispositif comprenant un bloc optique (2) constitué de moyens d'éclairage (6, 7, 8, 9) de la puce comprenant une source laser (6) et des moyens de balayage (7) pour balayer, à la surface de la puce, un faisceau laser issu de la source laser (6), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour constituer une information (I) relative à la position d'au moins un plot de la puce par rapport aux moyens d'éclairage (6, 7, 8, 9) et des moyens (13, 14) pour constituer un signal de commande (B) des moyens de balayage (7) à partir de ladite information (I). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour constituer une information (I) comprennent au moins une diode électroluminescente pour éclairer la puce en tout ou partie, une matrice de microlentilles pour recevoir la lumière issue de la diode électroluminescente renvoyée par la puce et une matrice CCD. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour constituer une information (I) comprennent une photodiode pour détecter l'amplitude de la lumière diffusée par un plot de la puce. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour constituer une information (I) comprennent un détecteur quatre quadrants pour détecter la lumière réfléchie par une zone métallisée réfléchissante (Z) entourant un plot (P) de la puce. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (13, 14) pour constituer un signal de commande (B) des moyens de balayage (7) comprennent un circuit de traitement (13) pour délivrer un signal traité (S) à partir de ladite information (I) et un circuit de commande (14) recevant, d'une part, ledit signal traité et, d'autre part, un signal de consigne (C). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit imprimé (1) muni d'un connecteur (5) dans lequel vient s'enficher, lors de la lecture de la puce (4), un support (3) sur lequel la puce (4) est positionnée, le bloc optique (2) étant enfichable dans le circuit imprimé de façon à placer les moyens d'éclairage (6, 7, 8, 9) en position pour éclairer la puce (4). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de traitement (13) et le circuit de commande (14) sont réalisés sur le circuit imprimé (1). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de balayage (7) sont constitués d'un déflecteur acousto-optique. 9. Puce biologique comprenant au moins une ligne de M plots (P), M étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, caractérisée en ce que chaque plot (P) est entouré d'une zone (Z) réfléchissante. 10. Puce biologique selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle est une puce active.