Brevet FR3058995A1 — publié le 20180525

Procédé et système de commande d'un dispositif microfluidique Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de commande d'un dispositif microfluidique qui comporte une matrice de capsules microfluidiques. L'invention se rapporte également à un système de commande d'un dispositif microfluidique. Etat de la technique Il est connu des documents US2012/064597A1, US2013/130262A1, US2007/166199A1 et US2006/076068A1 des dispositifs microfluidiques qui utilisent une membrane deformable pour commander l'écoulement d'un fluide. Plusieurs capsules microfluidiques sont ainsi reliées par des canaux de manière à former une matrice microfluidique. Une telle capsule microfluidique comporte une chambre microfluidique dans laquelle débouche un canal d'entrée et dont ressort un canal de sortie. La membrane se déforme dans ladite chambre pour conférer deux états à la capsule, un premier état dans lequel le canal d'entrée et le canal de sortie communiquent entre eux à travers la chambre de manière à permettre un transfert de fluide par le remplissage de la chambre, et un deuxième état dans lequel la membrane bloque la communication entre les deux canaux, empêchant l'écoulement de fluide et le remplissage de la chambre de la capsule. La commande de la membrane entre ses deux états sera par exemple réalisée à l'aide de moyens pneumatiques, par exemple en exerçant une pression positive ou une pression négative. Certains des documents cités ci-dessus décrivent notamment des matrices de capsules microfluidiques de manière à conférer un cheminement particulier à un échantillon d'un fluide injecté dans ladite matrice. Cependant, les différentes solutions matricielles décrites dans l'état de la technique ne tiennent souvent pas compte des différentes contraintes liées notamment à la contamination entre les différentes chambres des capsules si l'échantillon qui est injecté est amené à être mélangé à différents réactifs dans une même matrice microfluidique. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de commande d'un dispositif microfluidique tel que décrit ci-dessus, qui permet de réaliser un mélange d'un même échantillon avec un ou plusieurs réactifs distincts sans risque de contamination. 3058995 2 Exposé de l'invention Ce but est atteint par un procédé de commande d'un dispositif microfluidique qui comporte une matrice de capsules microfluidiques et des canaux reliant les capsules microfluidiques entre elles, chaque capsule microfluidique pouvant être commandée 5 entre un premier état dans lequel elle est apte à se remplir d'un fluide et un deuxième état dans lequel elle est vide, bloquant le passage dudit fluide, ladite matrice comportant : - Au moins un premier réservoir destiné à recevoir un premier fluide et un deuxième réservoir destiné à recevoir un deuxième fluide à mélanger avec 10 le premier fluide, - Lesdites capsules microfluidiques comportant des capsules microfluidiques dites de mélange, des capsules microfluidiques dites d'isolation et des capsules dites de mélange-isolation, - Chaque réservoir étant séparé d'une capsule de mélange par une capsule 15 d'isolation en formant une série de capsules, dite série de remplissage, - Chaque capsule de mélange étant séparée d'une autre capsule de mélange par une capsule de mélange-isolation en formant une série de capsules, dite série de mélange, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : 20 - Une phase d'initialisation dans laquelle : o Les capsules microfluidiques de mélange et les capsules microfluidiques d'isolation situées dans chaque série de remplissage sont mises dans leur premier état de manière à être remplies chacune, respectivement par le premier fluide et par le deuxième 25 fluide présent dans leur réservoir associé, chaque capsule de mélange-isolation étant dans son deuxième état, o Les capsules d'isolation sont mises dans leur deuxième état de manière à isoler, dans chaque série de remplissage, les capsules de mélange entre elles, 30 - Une phase de mélange dans laquelle le premier fluide présent dans une capsule de mélange est mélangé avec le deuxième fluide à travers chaque capsule de mélange-isolation. L'invention concerne également un dispositif microfluidique comportant une 35 matrice de capsules microfluidiques et des canaux reliant les capsules microfluidiques entre elles, chaque capsule microfluidique pouvant être commandée entre un premier 3058995 3 état dans lequel elle est apte à se remplir d'un fluide et un deuxième état dans lequel elle est vide, bloquant le passage dudit fluide, ladite matrice comportant : - Au moins un premier réservoir destiné à recevoir un premier fluide et un deuxième réservoir destiné à recevoir un deuxième fluide à mélanger avec 5 le premier fluide, - Lesdites capsules microfluidiques comportant des capsules microfluidiques dites de mélange, des capsules microfluidiques dites d'isolation et des capsules dites de mélange-isolation, - Chaque réservoir étant séparé d'une capsule de mélange par une capsule 10 d'isolation en formant une série de capsules, dite série de remplissage, - Chaque capsule de mélange étant séparée d'une autre capsule de mélange par une capsule de mélange-isolation en formant une série de capsules, dite série de mélange, - le dispositif étant employé pour mettre en oeuvre le procédé de commande 15 défini ci-dessus. Selon une particularité, chaque capsule microfluidique du dispositif est réalisée par la superposition d'un premier substrat, d'une membrane deformable et d'un deuxième substrat. 20 Selon une autre particularité, les capsules d'isolation du dispositif présentent un volume maximal plus faible que celui des capsules de mélange. Selon une autre particularité, les capsules de mélange-isolation du dispositif présentent un volume maximal plus faible que le volume des capsules de mélange. Selon une autre particularité, le dispositif comporte une première série de 25 remplissage, associée au premier réservoir et comportant plusieurs capsules de mélange de volumes distincts et une deuxième série de remplissage, associée au deuxième réservoir et comportant plusieurs capsules de mélange de volumes distincts, les volumes des capsules de mélange de la première série de remplissage et les volumes des capsules de mélange de la deuxième série de remplissage étant choisis de 30 manière à former une gamme de dilution du premier fluide dans le deuxième fluide, pour chaque série de mélange. L'invention concerne également un système de commande d'un dispositif microfluidique défini ci-dessus et agencé pour mettre en oeuvre le procédé défini ci- 35 dessus, ledit système comportant : - Un module d'initialisation exécuté pour que : 3058995 4 o les capsules microfluidiques de mélange et les capsules microfluidiques d'isolation situées dans chaque série de remplissage sont mises dans leur premier état de manière à être remplies chacune, respectivement par le premier fluide et par le deuxième 5 fluide présent dans leur réservoir associé, chaque capsule de mélange et de mélange-isolation étant dans son deuxième état, o les capsules d'isolation sont mises dans leur deuxième état de manière à isoler, dans chaque série de remplissage, les capsules de mélange entre elles, 10 - Un module de mélange exécuté pour que le premier fluide présent dans une capsule de mélange est mélangé avec le deuxième fluide à travers chaque capsule de mélange-isolation. Enfin, l'invention concerne également une architecture microfluidique complète 15 comportant ledit dispositif microfluidique défini ci-dessus et ledit système de commande défini ci-dessus. Brève description des figures 20 D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit, faite en regard des dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 représente un dispositif microfluidique comportant une seule ligne de capsules microfluidiques. - La figure 2 représente, vu suivant une coupe transversale, un dispositif 25 microfluidique selon un premier mode de réalisation. - Les figures 3A et 3B illustrent le principe de fonctionnement d'une capsule microfluidique tel qu'employé dans le dispositif selon le premier mode de réalisation. - La figure 4 représente, vu suivant une coupe transversale, un dispositif 30 microfluidique selon un deuxième mode de réalisation. - Les figures 5A et 5B illustrent le principe de fonctionnement d'une capsule microfluidique tel qu'employée dans le dispositif selon le deuxième mode de réalisation. - Les figures 6A et 6B représentent une variante de réalisation d'une capsule 35 microfluidique employée dans un dispositif microfluidique de l'invention. 3058995 5 La figure 7 illustre un principe de fonctionnement du déplacement d'un fluide dans une matrice de capsules microfluidiques. La figure 8 représente, vue de dessus, une première variante de réalisation d'une matrice microfluidique de capsules microfluidiques, telle qu'employée 5 dans un dispositif microfluidique conforme à l'invention. La figure 9 représente, vue du dessus, une deuxième variante de réalisation d'une matrice de capsules microfluidiques telle qu'employée dans un dispositif microfluidique. Les figures 10A à 10G représentent la matrice de capsules microfluidiques 10 de la figure 9 et illustrent le principe de fonctionnement du procédé de commande du dispositif microfluidique de l'invention. La figure 11 représente une matrice de capsules microfluidiques selon un autre mode de réalisation. Les figures 12A à 12F illustrent le principe de fonctionnement du procédé 15 de l'invention pour mettre en oeuvre une gamme de dilution. 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. Sur les dessins 20 annexés, cet axe (X) est tracé verticalement dans le plan de la feuille. L'invention vise un procédé de commande d'un dispositif microfluidique 1. Un dispositif microfluidique 1 comporte notamment une matrice de capsules microfluidiques 13 comprenant plusieurs capsules microfluidiques et des canaux microfluidiques reliant des capsules de la matrice entre elles. 25 Les figures 1 à 7 sont décrites ci-dessous pour mieux comprendre l'architecture d'un dispositif microfluidique et son principe de fonctionnement. Chaque capsule microfluidique 13 d'un dispositif microfluidique comporte une chambre 2 dans laquelle débouche un canal d'entrée et de laquelle ressort un canal de sortie. La capsule 13 comporte également une membrane deformable à l'intérieur de la 30 chambre qui permet, selon sa position, de conférer au moins deux états distincts à la capsule microfluidique. Dans un premier état, la membrane est dans une première position qui bloque l'écoulement de fluide dans la chambre et dans un deuxième état, la membrane est dans une deuxième position qui autorise l'écoulement de fluide dans la chambre. Selon sa position, la membrane permet ainsi de moduler le volume de la 35 chambre de la capsule. 3058995 6 Différentes configurations de capsules sont possibles. Selon l'agencement de la capsule, lorsque sa membrane est au repos, la capsule pourra être dans le premier état ou dans le deuxième état. Comme pour un interrupteur électrique, on pourra ainsi parler de configuration de type "normalement fermé" ou "normalement ouvert". 5 A titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux figures 1, 2 et 4, une matrice microfluidique comportant plusieurs capsules 13 telles que décrites ci-dessus, comprend deux substrats 10, 11 et une membrane déformable 12 disposée entre les deux substrats. Chaque substrat 10, 11 présente deux surfaces, une surface dite supérieure et une surface dite inférieure. La surface inférieure 100 du premier 10 substrat 10 est en vis-à-vis de la surface supérieure 110 du deuxième substrat 11. Comme le réseau microfluidique est réalisé sur l'une, l'autre ou les deux surfaces 100, 110, ces surfaces sont ci-après dites microfluidiques. Le premier substrat 11 comprend une surface microfluidique 100 et le deuxième substrat 11 comprend une surface microfluidique 110 parallèles entre elles et séparées l'une de l'autre par la membrane 15 déformable 12. Les deux substrats peuvent présenter un contour de forme rectangulaire ou circulaire ou de toute autre forme. Chacun des premier 10 et deuxième 11 substrats présente une épaisseur, par exemple comprise entre environ 200 pm et 10 mm et une superficie de l'ordre de 20 plusieurs centimètres carrés, typiquement une superficie équivalente à celle d'une lame de microscope, d'une plaque à puits (appelée "96 well plate") ou d'une carte de crédit. La membrane déformable présente une épaisseur de l'ordre d'une centaine de microns (10pm à 1mm) par exemple de 300pm. Le matériau du premier substrat 10 et/ou du deuxième substrat 11 est sélectionné parmi les matériaux suivants : polymère 25 polycarbonate, PMMA, COC, silicium, et papier. La membrane 12 est formée d'un matériau très déformable élastiquement, lui permettant de revenir à sa forme initiale après déformation. Le matériau 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 30 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-MethylPolysiloxanes, les PVMQ (Phenyl-Vynil-Methyl-Polysiloxanes) ou les élastomères de type thermoplastiques (TPE), par exemple les TPE-S, TPS, TPE-E, TPC. 35 3058995 7 Au moins une suite de cavités 130 est formée sur l'une ou l'autre des première et deuxième surfaces microfluidiques 100, 110 de manière à former les capsules 13. A titre d'exemple, la figure 2 montre que les cavités 130 sont formées sur la surface microfluidique 100 du premier substrat 10 et la figure 4 montre que les cavités 130 sont 5 formées sur la surface microfluidique 110 du deuxième substrat 11. Sur les figures 1 à 5B annexées, de manière non limitative, les cavités 130 ont une forme de calotte 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 10 comprise entre environ 100 pm et 4 mm. La suite de cavités 130 délimite, avec la membrane déformable 12, la suite de chambres microfluidiques 2. La membrane déformable 12 est apte à être déformée au niveau de chaque chambre microfluidique 2 pour être plaquée contre une partie de la surface microfluidique 100 du premier substrat 10 ou contre une partie de la surface microfluidique 110 du deuxième substrat 11 15 permettant ainsi de commuter l'état de chaque chambre microfluidique 2 entre les premier et second états. La membrane 12 est adaptée pour ouvrir ou bloquer le passage du fluide ainsi que pour pomper le fluide depuis un réservoir ou une chambre vers au moins une autre chambre. 20 Selon une variante de réalisation représentée sur les figures 6A et 6B, chaque cavité présente 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. 25 Le dispositif microfluidique 1 est associé à un mécanisme d'actionnement 3 adapté pour agir sur la membrane 12 au niveau de chaque chambre microfluidique 2 afin de commuter la chambre microfluidique sélectionnée entre ses deux états. Le mécanisme d'actionnement 3 est par exemple de type pneumatique ou mécanique et 30 sera décrit plus précisément ci-après. Pour relier les capsules microfluidiques entre elles, le dispositif comporte des canaux microfluidiques 5 de communication formant les canaux d'entrée et de sortie décrits ci-dessus. Selon le mode de réalisation retenu, ils sont formés sur l'une ou l'autre 35 des deux surfaces microfluidiques 100, 110 de chaque substrat 10, 11. 3058995 8 De manière non limitative, chaque canal de communication 5 présente une longueur comprise entre environ 0.5 mm et 5 mm et une section comprise entre environ 50 pm et 500 pm de côté. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le volume d'un canal microfluidique 5 est au moins dix fois plus petit que le volume d'une 5 chambre microfluidique 2. Ainsi, soit V1 le volume d'une chambre 2 et V2 le volume d'un canal microfluidique 5 de communication. L'actionnement de deux chambres consécutives génère un déplacement de fluide de V1-V2, car le volume V2 reste perdu dans le canal 5. Pour N déplacements on perd un volume fluidique de N x V2. Ainsi, si le système est initialement rempli d'air (plus précisément, les canaux microfluidiques 5 10 sont remplis d'air et toutes les chambres microfluidiques 2 en position fermée/bloquée), alors, après un déplacement fluidique de la première à la deuxième chambre, l'expérience montre l'apparition d'une bulle d'un volume qui est environ équivalent au volume V2. Après N déplacements, le volume de la bulle d'air est N fois plus grand. De même, si le système est initialement rempli d'un fluide tampon par exemple de l'eau, 15 (plus précisément les canaux 5 sont sous eau et toutes les chambres microfluidiques en position fermée), alors après un déplacement, l'expérience montre que la solution transportée est légèrement diluée. Ainsi, à chaque nouveau déplacement on observera une nouvelle légère dilution. C'est ce principe de transport qui sera utilisé pour mélanger l'échantillon à différents réactifs et qui sera utilisé dans le procédé de commande de 20 l'invention décrit ci-dessous. On comprend ainsi qu'il est très important pour le fonctionnement du dispositif que le volume V2 soit bien plus petit que le volume V1. Le dispositif microfluidique 1 comporte avantageusement un ou plusieurs réservoirs 4 reliés au réseau de capsules de la matrice par des canaux microfluidiques 25 du dispositif tels que ceux décrits ci-dessus. Les réservoirs 4 sont formés dans le premier substrat 10 ou le deuxième substrat 11. Le dispositif 1 comporte avantageusement des trous d'actionnement 30 (voir figures 2 et 4) formés dans le premier 10 ou deuxième 11 substrat selon la direction de l'axe (X) pour déboucher au niveau des chambres microfluidiques 2. Ces trous 30 d'actionnement 30 sont utilisés pour actionner la membrane deformable 12 par des mécanismes d'actionnement pneumatique ou mécanique. Le réseau fluidique, c'est-à-dire les réservoirs 4, les cavités 130 formant les chambres 2 des capsules, les canaux microfluidiques 5 reliant les cavités 130, et les trous 30 ou ouvertures pour l'actionnement pneumatique ou mécanique sont usinés 35 selon des procédés connus par les industries de la plasturgie telles que l'usinage 3058995 9 mécanique avec une machine à commande numérique, par impression 3D, ou de préférence par injection. Le premier substrat 10, la membrane 12 et le deuxième substrat 11 sont assemblés de manière à assurer un contact étanche entre la membrane 12 et les deux 5 surfaces microfluidiques 100, 110 des premier et deuxième substrats tout en aménageant un espace d'écoulement au niveau des cavités 130 et des canaux microfluidiques 5. L'assemblage peut être réalisé par collage, par plasma, ou par un plaquage mécanique comme décrit ci-après. 10 En tenant compte des différents éléments de description ci-dessus, une matrice microfluidique peut être réalisée selon plusieurs modes de réalisation distincts. Dans un premier mode de réalisation illustré par les figures 2, 3A et 3B, chaque cavité 130 formant la chambre des capsules 13, par exemple en forme de calotte demi-sphérique, et les canaux microfluidiques 5 sont formés sur la surface microfluidique 100 15 du premier substrat 10. Pour chaque cavité, un trou d'actionnement 30 est formé dans le deuxième substrat 11 débouchant après assemblage en regard de la cavité 130. En outre, la membrane déformable 12 est disposée entre le premier substrat 10 et le deuxième substrat 11, de manière à être pris en sandwich entre les deux substrats. Autrement dit, chaque chambre microfluidique 2 est délimitée par une cavité 130 20 correspondante et une partie correspondante de la membrane 12 de sorte que l'état (ouvert ou fermé) de la chambre 2 est défini par l'actionnement de cette partie correspondante de la membrane 12. Les figures 3A et 3B illustrent de manière schématique les états d'une chambre microfluidique selon ce premier mode de réalisation de la figure 2. 25 Plus particulièrement, la figure 3A représente une chambre microfluidique 2 dans un état fermé où la partie correspondante de la membrane 12 est mise dans une forme rétractée. En effet, selon cet état, la partie de la membrane 12 correspondante à la chambre 2 est plaquée sur une partie de la surface microfluidique 100 du premier substrat 10 tout en épousant parfaitement la forme de la cavité 130 correspondante (ici 30 une demi-sphère) de sorte que le volume entre la membrane 12 et la cavité 130 est quasiment nul, bloquant ainsi l'écoulement du fluide au travers de la chambre 2. Ici la cavité 130 présente une forme d'une calotte sphérique et la membrane 12 épouse donc localement la forme de la calotte sphérique fermant ainsi l'accès à la chambre microfluidique 2. 35 La figure 3B illustre une vue de la même chambre microfluidique 2 dans un état ouvert. La partie correspondante de la membrane déformable 12 est mise dans une 3058995 10 forme déployée. En effet, selon cet état, la partie de la membrane 12 correspondante à la chambre 2 est plaquée sur une partie de la surface microfluidique 111 du deuxième substrat 11 de sorte que la membrane 12 et la cavité 130 correspondante délimitent un réservoir de volume prédéterminé égal à celui de la cavité 130 autorisant ainsi 5 l'écoulement du fluide dans la chambre 2. La configuration de l'agencement représenté sur les figures 3A et 3B est ainsi de type "normalement fermé". Dans un deuxième mode de réalisation illustré par les figures 4, 5A et 5B, chaque cavité 130, par exemple en forme de calotte demi-sphérique, est formée sur la 10 surface microfluidique 110 du deuxième substrat 11 et les canaux microfluidiques 5 de communication sont formés sur la surface microfluidique 100 du premier substrat 10. La continuité entre les différents canaux microfluidiques 5 formée sur le premier substrat 10 est assurée par les cavités 130 formées sur le deuxième substrat 11. Autrement dit, les cavités 130 formées sur la surface microfluidique 110 du deuxième substrat 11 15 présentent des positions et diamètres complémentaires aux positions et longueurs des canaux 5 formés sur la surface microfluidique 100 du premier substrat. On notera que dans cette réalisation, chaque trou d'actionnement 30 débouche dans une cavité 130 correspondante. Comme dans le premier mode de réalisation, la membrane déformable 12 est disposée entre le premier substrat 10 et le deuxième substrat 11. Ainsi, Toutefois, 20 selon ce deuxième mode de réalisation, une chambre microfluidique 2 est dans un état ouvert lorsque la partie de la membrane 12 correspondante est déformée et elle est dans un état fermé lorsque la partie de la membrane 12 correspondante est relâchée. On est ainsi dans une configuration de type "normalement ouvert". Les figures 5A et 5B illustrent de manière schématique les états d'une chambre 25 microfluidique selon le deuxième mode de réalisation la figure 4. Plus particulièrement, la figure 5A illustre une vue d'une chambre microfluidique 2 dans un état fermé où la partie correspondante de la membrane déformable 12 est mise dans une forme relâchée. En effet, selon cet état, la partie de la membrane 12 correspondante à la chambre 2 est plaquée sur la partie correspondante de la surface 30 microfluidique 100 du premier substrat de sorte que le volume entre la membrane 12 et cette surface 100 est quasiment nul bloquant ainsi l'écoulement du fluide au travers de la chambre 2. La figure 5B illustre la même chambre microfluidique 2 dans un état ouvert où la partie correspondante de la membrane 12 est déformée. La partie de la membrane 12 35 correspondante à la chambre 2 est ainsi aspirée pour être plaquée sur la partie correspondante de la surface microfluidique 110 du deuxième substrat 11 tout en 3058995 11 épousant la forme de la cavité 130 correspondante de sorte que la membrane 12 déformée et la partie correspondante de la surface microfluidique 100 du premier substrat délimitent un réservoir de volume prédéterminé égal à celui de la cavité 130 autorisant ainsi l'écoulement du fluide dans ce réservoir. 5 Les figures 6A et 6B représentent une architecture de fonctionnement équivalente à celle des figures 5A et 5B, la différence résidant dans le fait que la capsule microfluidique est de forme cylindrique et non en forme de calotte demi-sphérique. 10 Comme décrit ci-dessus, le dispositif microfluidique 1 est par exemple associé à un système d'actionnement 3 adapté pour commander une action sur la membrane deformable 12 au niveau de chaque chambre microfluidique 2 afin de commuter l'état de la chambre microfluidique 2 sélectionnée. Une architecture microfluidique inclut ainsi ledit dispositif microfluidique et ledit 15 système d'actionnement. Un tel système d'actionnement comporte une unité de commande et de traitement UC destinée à mettre en oeuvre une séquence de commande déterminée et un mécanisme d'actionnement 3 destiné à exécuter ladite séquence de commande. La 20 séquence de commande est créée par l'exécution, par l'unité de commande et de traitement UC, d'une pluralité de modules logiciels, chaque module logiciel correspondant à une ou plusieurs des étapes du procédé de commande de l'invention. Le mécanisme d'actionnement 3 fait avantageusement partie du système 25 d'actionnement de l'invention et est commandé par l'unité de commande et de traitement UC pour déformer au moins une partie de la membrane 12, 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 les trous d'actionnement 30 formés dans le deuxième substrat 11 et débouchant au niveau des chambres microfluidiques 2. Ainsi, le 30 changement d'état d'une chambre microfluidique 2 quelconque est réalisé par une modification de la valeur de pression exercée localement sur la membrane 12 via le trou d'actionnement 30 correspondant à la chambre microfluidique 2. Le mécanisme d'actionnement employé pour actionner la membrane 12 au niveau de chaque chambre 2 peut être réalisé selon différentes variantes de réalisation. 35 Dans une première variante de réalisation, le mécanisme d'actionnement peut être de type pneumatique. Pour commuter la chambre, il s'agit d'appliquer la pression 3058995 12 suffisante pour pousser ou aspirer la membrane (selon la variante de réalisation de la capsule) par rapport à la pression du fluide qui circule. Dans une solution illustrée par la figure 7, chaque capsule, pour échantillon ou réactif, est pressurisé et placé à une pression positive +p1. Le réservoir 4 est placé à 5 une pression positive +p2 qui est inférieure à +pl Pour commuter la chambre d'une capsule, la partie correspondante de la membrane est placée à une pression de référence p0=0. Ainsi, lorsque la pression au niveau d'une capsule est relâchée de manière à devenir inférieure à celle du fluide présent dans le réservoir, le fluide pousse naturellement la membrane vers son autre position, changeant ainsi l'état de la chambre. 10 Les caractéristiques décrites ci-dessus pour un dispositif microfluidique simple et pour son fonctionnement sont employées pour la mise en oeuvre d'un dispositif microfluidique selon l'invention, présentant une matrice microfluidique. Cette matrice microfluidique pourra prendre les différentes architectures décrites ci-dessous. 15 La matrice microfluidique comporte ainsi plusieurs capsules 13 reliées entre elles par des canaux 5. En référence à la figure 8, une matrice microfluidique d'un dispositif microfluidique de l'invention, comporte la structure simple suivante : 20 - Au moins deux réservoirs destinés à recevoir chacun un fluide ; - Plusieurs capsules, dites capsules de mélange, car elles sont employées pour le mélange ; - Plusieurs capsules, dites capsules d'isolation, car elles sont employées pour isoler deux autres capsules entre elles ; 25 - Plusieurs capsules dites de mélange-isolation, car elles sont employées à la fois pour le mélange et pour l'isolation ; - Les deux réservoirs sont un premier réservoir Ra destiné à recevoir un échantillon et un deuxième réservoir Rb destiné à recevoir un réactif à mélanger avec l'échantillon ; 30 - La matrice comporte une première capsule de mélange reliée au premier réservoir par l'intermédiaire d'une capsule d'isolation ; - La matrice comporte une deuxième capsule de mélange reliée au deuxième réservoir par l'intermédiaire d'une capsule d'isolation ; - La première capsule de mélange et la deuxième capsule de mélange sont 35 reliées entre elles par l'intermédiaire d'une capsule de mélange-isolation ; 3058995 13 - Chaque capsule de mélange est toujours séparée d'une autre capsule de mélange par une capsule de mélange-isolation ; - Deux capsules d'isolation distinctes ne sont jamais reliées entre elles ; - Les capsules de mélange et de mélange-isolation forment au moins une 5 première série de capsules (définie ci-dessous comme une ligne de mélange) ; - Les capsules de mélange et d'isolation situées en regard d'un même réservoir forment une deuxième série de capsules (définie ci-dessous comme une colonne de remplissage) ; 10 Les échantillons ou les réactifs sont déposés à la pipette dans chaque réservoir ou sont par exemple pré-remplis lors de la fabrication du système. Les capsules de la matrice sont par exemple agencées en plusieurs séries de 15 capsules, avantageusement organisées selon plusieurs lignes et plusieurs colonnes. Sur les figures et dans la description, les capsules sont référencées par des coordonnées matricielles. Le premier chiffre indique le numéro de la ligne et le deuxième chiffre indique le numéro de la colonne. L'indice "m" permet d'identifier une capsule de mélange, l'indice "i" permet d'identifier une capsule d'isolation et l'indice "mi" permet 'identifier une 20 capsule de mélange-isolation. Dans une telle architecture matricielle, de manière non limitative, la structure microfluidique générale est la suivante : - Les lignes d'indice impair ne comportent que des capsules d'isolation ; 25 - Les lignes d'indice pair comportent les capsules de mélange et les capsules de mélange-isolation et sont désignées lignes de mélange ; - Les réservoirs sont reliés à des capsules situées dans des colonnes d'indice impair, ces colonnes étant désignées colonnes de remplissage ; - Les colonnes d'indice pair ne comportent que des capsules de mélange- 30 'isolation ; A partir de ce motif élémentaire, le principe de fonctionnement est le suivant : Phase d'initialisation : - Les capsules de mélange et d'isolation situées dans les colonnes de 35 remplissage et situées en vis-à-vis des réservoirs sont toutes remplies du fluide présent dans le réservoir associé ; 3058995 14 - Les capsules d'isolation situées dans ces mêmes colonnes sont vidées, de manière à isoler le réservoir de chaque capsule de mélange ; - Les capsules d'isolation séparant deux lignes de mélange sont vidées pour isoler les lignes de mélange entre elles. 5 Phase de mélange : - Les capsules de mélange-isolation situées dans les lignes de mélange sont ensuite employées pour effectuer les mélanges entre les capsules de mélange ; 10 A partir du motif élémentaire défini par la figure 8, une matrice microfluidique plus complexe est représentée sur la figure 9. Celle-ci comporte ainsi la structure fluidique suivante : 15 - Un premier réservoir Ra destiné à recevoir un premier composant, par exemple un échantillon à analyser. - Plusieurs autres réservoirs Rb, Rc, Rd, Re, Rf, Rg, destinés à recevoir chacun un autre composant, tel que par exemple un réactif, préférentiellement distinct. Sur la figure 9, on a ainsi six réservoirs de 20 réactifs distincts. La distinction entre les réactifs peut venir des composants du réactif mais également de leur composition (concentrations différentes par exemple). - Trois lignes de mélange contenant les capsules de mélange et les capsules de mélange-isolation. 25 - Quatre lignes d'isolation comportant chacune des capsules d'isolation qui sont positionnées en sortie de chaque réservoir pour l'isoler par rapport à la ligne de mélange la plus proche et entre deux capsules de deux lignes de mélange distinctes si une même colonne de remplissage est commune à plusieurs lignes de mélange. 30 - Les capsules de mélange-isolation sont placées sur chaque ligne de mélange de manière à séparer les capsules de mélange entre elles et pour permettre le mélange des fluides. Sur la figure 9, de manière non limitative, les réservoirs sont situés en haut ou 35 en bas des lignes de capsules de la matrice. Comme décrit ci-dessus, pour éviter des 3058995 15 contaminations croisées, ils sont espacés des lignes de mélange par des capsules d'isolation d'indice i. Bien entendu, comme décrit ci-dessus, entre chaque capsule consécutive en ligne et colonne, des canaux de jonction sont présents sur le substrat supérieur. 5 Selon l'application envisagée, il est bien entendu possible d'interrompre les colonnes de capsule, c'est-à-dire que certaines capsules peuvent être manquantes sur une colonne. A partir d'une matrice décrite ci-dessus en liaison avec la figure 9, le procédé 10 de commande est mis en oeuvre telle que décrit ci-dessous. Il comporte une phase d'initialisation dans laquelle les différents composants (échantillon+réactifs) sont amenés sur les lignes de mélange, sans risque de contamination, et une phase de mélange. L'unité de commande et de traitement exécute ainsi un module logiciel d'initialisation qui génère les différentes étapes nécessaires à la mise en oeuvre de cette 15 première phase. On considérera que lorsqu'une capsule est à l'état 0, elle bloque l'écoulement de fluide dans sa chambre et lorsqu'elle est à l'état 1, elle permet un écoulement de fluide dans sa chambre. La phase d'initialisation comporte ainsi les étapes suivantes : - Etape 1- figure 10A : Toutes les capsules de la matrice sont à l'état 0. Tous les 20 réservoirs Ra, Rb, Rc, Rd, Re, Rf, Rg sont remplis manuellement ou de manière automatique, ou pré-remplis par l'échantillon ou un réactif. - Etape 2 - figure 10B : Toutes les capsules d'indice m et d'indice i situés dans l'alignement d'un réservoir sont commandés à l'état 1 par l'unité de commande et de traitement, ce qui permet d'amener les liquides présents dans chaque 25 réservoir dans toutes les capsules de la même colonne de remplissage. - Etape 3 - figure 10C : Les capsules d'isolation sont toutes remises à l'état 0 par l'unité de commande et de traitement UC, ce qui permet d'isoler un volume de liquide dans chacune des capsules de mélange d'indice m présentes dans les colonnes de remplissage des réservoirs. 30 Ensuite, l'unité de commande et de traitement UC met en oeuvre une phase de mélange du procédé de commande de l'invention. Pour cela, elle exécute un module logiciel qui génère les étapes nécessaires à la mise en oeuvre des différentes étapes de la phase de mélange. La phase de mélange comporte ainsi les étapes suivantes : 35 - Etape 4 - figure 10D : Il s'agit d'un premier mélange, commandé par l'unité de commande et de traitement UC, entre l'échantillon présent dans les capsules de 3058995 16 mélange d'indice m de la colonne 1 (c'est-à-dire 2.1 m, 4.1 m, 6.1 m) et les réactifs présents dans les capsules de mélange d'indice m de la colonne 3. Dans chaque ligne de mélange 2, 4, 6, les capsules des colonnes 1, 2 et 3 sont ainsi actionnées alternativement afin de mettre en contact l'échantillon avec le réactif présent initialement dans le réservoir Rb et d'effectuer un mélange par des aller-retours. Par exemple l'ordre d'actionnement des capsules de la ligne de mélange 2 est résumé dans le tableau ci-dessous. Un seul aller-retour est représenté sur les figures 10D et 10E, mais on peut imaginer en effectuer plusieurs, par exemple dix, pour assurer un meilleur mélange et une homogénéisation du mélange. 2.1 m 2.2 mi 2.3m Après étape 3 1 0 1 Mise en contact 1 1 0 Transport 0 1 1 Transport 1 1 0 Transport 0 1 1 Etape 5 - figure 10F : Il s'agit d'un deuxième mélange, commandé par l'unité de commande et de traitement UC, entre l'échantillon, déjà mélangé avec le premier réactif, et le deuxième réactif initialement présent dans les capsules de mélange 15 d'indice m de la colonne 5référencées. De même, dans chaque ligne de mélange, les capsules sont actionnées alternativement afin de mettre en contact et de mélanger par des aller-retours. Par exemple, pour la ligne de mélange 2, l'ordre d'actionnement de ces capsules est résumé dans le tableau ci-dessous : 2.1-m 2.2 mi 2.3 m 2.4 mi 2.5m Fin étape 4 0 1 1 0 1 Mise en contact 0 1 1 1 0 Transport 1 1 1 0 0 Transport 0 1 1 1 0 Transport 0 0 1 1 1 Transport 0 1 1 1 0 20 Etape 6 - Figure 10G : De manière similaire, l'unité de commande et de traitement commande les mélanges avec les réactifs successifs présents dans les capsules des colonnes 7 et 9... 5 10 3058995 17 Par la suite, une dernière étape d'analyse peut être mise en oeuvre, par exemple par une mesure de fluorescence, par colorimétrie suivant le protocole utilisé ou par toute autre méthode connue. Généralement cette opération s'effectue à la fin du protocole, 5 donc dans la dernière capsule de la matrice, située en bout de ligne de mélange. Dans la description ci-dessus, on a considéré que toutes les capsules avaient toutes une même géométrie et des dimensions identiques. Cependant, il faut 10 comprendre que les géométries des capsules pourraient être différentes et les dimensions des capsules pourraient différer dans une même matrice microfluidique et présenter ainsi des volumes de chambre différents. L'emploi de capsules de dimensions différentes présente notamment certains avantages et permet la mise en oeuvre de certaines applications. 15 Les capsules d'isolation décrites ci-dessus peuvent en effet être d'un volume plus faible que celui des autres capsules, permettant ainsi de gagner en encombrement. La figure 11 illustre cette variante de réalisation. Avec des capsules d'isolation de dimensions plus réduites, il est ainsi possible de mettre plus de lignes de capsules sur une même surface de matrice microfluidique. On aura par exemple des capsules 20 d'isolation présentant une chambre de volume maximal de 2 à 10 fois plus petit que celui des autres capsules. Par ailleurs, il est également possible que les capsules de mélange-isolation présentent un volume maximal de chambre plus faible que celui des capsules de mélange. 25 Dans une autre variante de réalisation, il est également possible de proposer des capsules, qui ont, dans une même colonne et d'une ligne de mélange à une autre, des volumes différents pour créer une gamme de dilution. Les figures 12A à 12F permettent d'illustrer ce principe. En se basant sur les figures 12A à 12F, l'objectif est d'effectuer une gamme de 30 dilution entre l'échantillon présent dans le réservoir Ra et un réactif présent dans le réservoir Rb. Dans l'exemple illustré, la matrice présente les caractéristiques suivantes : - Les capsules d'isolation sont d'un volume maximal plus petit que celui des autres capsules ; 35 - Les capsules de mélange-isolation sont également d'un volume maximal plus petit que celui des autres capsules ; 3058995 18 Les capsules de mélange situées en regard du réservoir Ra sont de volumes maximaux différents de sorte que : V(2.1 m)>V(4.1 m)>V(6.1 m) ; Les capsules de mélange situées en regard du réservoir Rb sont de volumes maximaux différents, de sorte que : V(8.3 m)>V(6.3 m)>V(4.3 m) ; 5 Par ailleurs, afin de respecter le principe de conservation des volumes, il est préférable de suivre les règles suivantes, j indiquant le numéro de ligne de mélange : - V(j.1 m)+V(j.3 m)=V(j.5 m) 10 Ainsi, pour chaque ligne de mélange j, on aura un ratio de dilution de V(j.3 m))/(V(j.1 m)+V(j.3 m)) du liquide du réservoir Ra dans le liquide du réservoir Rb. Les figures 12A à 12F illustrent le principe de mélange employé pour mettre en oeuvre la dilution. Les principes évoqués et décrits ci-dessus concernant le déplacement des liquides dans la matrice restent identiques. Le tableau ci-dessous illustre un exemple 15 de dilution effectuée avec une matrice telle que représentée sur les figures 12A à 12F et en respectant les principes définis ci-dessus. j j.1 _m (pl) j.3 _m (pl) j.5 _m (pl) Dilution 1 32 0 32 0 2 31.5 0.5 32 1/64 3 31 1 32 1/32 4 30 2 32 1/16 5 28 4 32 1/8 6 24 8 32 1/4 7 16 16 32 2 8 0 32 32 1 20 Le principe de gamme de dilution évoqué ci-dessus peut bien entendu s'étendre pour une matrice de capsules de taille plus importante, avec plus de deux composants et sur une gamme plus étendue. 25 Le procédé de commande de l'invention est ainsi mis en oeuvre : Avec un minimum de risque de contamination entre les réactifs et pendant les réactions/mélanges ; En employant un nombre limité d'actionneurs pneumatiques ; En utilisant un protocole d'actionnement simple (minimum de commandes, 30 minimum d'étapes) ; 3058995 19 Avantageusement, le premier substrat 10 et/ou le deuxième substrat 11 et/ou la membrane 12 sont réalisés dans un matériau transparent permettant ainsi de voir le contenu des chambres microfluidiques 2 et de faciliter une analyse optique du mélange obtenu. On notera que d'autres moyens de détection connus par l'homme du métier 5 comme par exemple une détection électrique (conductimétrie, mesure électrochimique, etc.) sont aussi envisageables. A titre d'exemple, les deux substrats 10 et 11 peuvent être assemblés avec la membrane déformable 12 par collage dont l'enduction peut être effectuée par sérigraphie afin de ne pas coller localement la membrane au niveau des cavités 13 ou 10 canaux microfluidiques 5 de communication sur les premier 11 ou deuxième substrats 13. Un assemblage sans colle peut aussi être envisagé en exposant les deux surfaces microfluidiques 100, 110 à un plasma d'oxygène avant assemblage. Dans ce cas, on peut aussi réaliser un traitement localisé pour ne pas coller la membrane 12 15 déformable au niveau des cavités 13 ou canaux microfluidiques 5. Selon encore un autre exemple, on peut tout simplement assembler les trois éléments (i.e. le premier substrat 10, la membrane 12, et le deuxième substrat 11) par un plaquage mécanique assuré par un système de bride (serre joint, vis etc...) ou tout système mécanique connu (clips, rivets etc...) permettant de maintenir un bon contact et une bonne étanchéité entre la 20 membrane 12 et les deux substrats 10 et 11 sauf au niveau des cavités 13 et canaux microfluidiques 5. 25 REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un dispositif microfluidique qui comporte une matrice de capsules microfluidiques et des canaux reliant les capsules microfluidiques entre elles, chaque capsule microfluidique pouvant être commandée entre un premier état dans lequel elle est apte à se remplir d'un fluide et un deuxième état dans lequel elle est vide, bloquant le passage dudit fluide, ladite matrice comportant : - Au moins un premier réservoir (Ra) destiné à recevoir un premier fluide et un deuxième réservoir (Rb) destiné à recevoir un deuxième fluide à mélanger avec le premier fluide, - Lesdites capsules microfluidiques comportant des capsules microfluidiques dites de mélange, des capsules microfluidiques dites d'isolation et des capsules dites de mélange-isolation, - Chaque réservoir étant séparé d'une capsule de mélange par une capsule d'isolation en formant une série de capsules, dite série de remplissage, - Chaque capsule de mélange étant séparée d'une autre capsule de mélange par une capsule de mélange-isolation en formant une série de capsules, dite série de mélange, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : - Une phase d'initialisation dans laquelle : o Les capsules microfluidiques de mélange et les capsules microfluidiques d'isolation situées dans chaque série de remplissage sont mises dans leur premier état de manière à être remplies chacune, respectivement par le premier fluide et par le deuxième fluide présent dans leur réservoir associé, chaque capsule de mélange-isolation étant dans son deuxième état, o Les capsules d'isolation sont mises dans leur deuxième état de manière à isoler, dans chaque série de remplissage, les capsules de mélange entre elles, - Une phase de mélange dans laquelle le premier fluide présent dans une capsule de mélange est mélangé avec le deuxième fluide à travers chaque capsule de mélange-isolation. 3058995 21 2. Dispositif microfluidique comportant une matrice de capsules microfluidiques et des canaux reliant les capsules microfluidiques entre elles, chaque capsule microfluidique pouvant être commandée entre un premier état dans lequel elle est apte à se remplir d'un fluide et un deuxième état dans lequel elle est 5 vide, bloquant le passage dudit fluide, ladite matrice comportant : - Au moins un premier réservoir (Ra) destiné à recevoir un premier fluide et un deuxième réservoir (Rb) destiné à recevoir un deuxième fluide à mélanger avec le premier fluide, - Lesdites capsules microfluidiques comportant des capsules microfluidiques 10 dites de mélange, des capsules microfluidiques dites d'isolation et des capsules dites de mélange-isolation, - Chaque réservoir étant séparé d'une capsule de mélange par une capsule d'isolation en formant une série de capsules, dite série de remplissage, - Chaque capsule de mélange étant séparée d'une autre capsule de mélange 15 par une capsule de mélange-isolation en formant une série de capsules, dite série de mélange, - Caractérisé en ce que le dispositif est employé pour mettre en oeuvre le procédé défini en revendication 1. 20 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque capsule microfluidique est réalisée par la superposition d'un premier substrat, d'une membrane deformable et d'un deuxième substrat. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les capsules d'isolation présentent un volume maximal plus faible que celui des capsules de 25 mélange. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les capsules de mélange-isolation présentent un volume maximal plus faible que le volume des capsules de mélange. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une 30 première série de remplissage, associée au premier réservoir et comportant plusieurs capsules de mélange de volumes distincts et une deuxième série de remplissage, associée au deuxième réservoir et comportant plusieurs capsules de mélange de volumes distincts, les volumes des capsules de mélange de la première série de remplissage et les volumes des capsules de mélange de la deuxième série de remplissage étant choisis de manière à former une gamme de dilution du premier fluide dans le deuxième fluide, pour chaque série de mélange. 3058995 22 7. Système de commande d'un dispositif microfluidique défini dans les revendications 2 à 6 et pour mettre en oeuvre le procédé défini en revendication 1, ledit système étant caractérisé en ce qu'il comporte : 5 - Un module d'initialisation exécuté pour que : o les capsules microfluidiques de mélange et les capsules microfluidiques d'isolation situées dans chaque série de remplissage sont mises dans leur premier état de manière à être remplies chacune, respectivement par le premier fluide et par le deuxième 10 fluide présent dans leur réservoir associé, chaque capsule de mélange et de mélange-isolation étant dans son deuxième état, o les capsules d'isolation sont mises dans leur deuxième état de manière à isoler, dans chaque série de remplissage, les capsules de mélange entre elles, 15 - Un module de mélange exécuté pour que le premier fluide présent dans une capsule de mélange est mélangé avec le deuxième fluide à travers chaque capsule de mélange-isolation. 8. Architecture microfluidique comportant un dispositif microfluidique défini 20 dans l'une des revendications 2 à 6 et un système de commande défini dans la revendication 7.