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DESCRIPTION
TITRE : CARTOUCHE COMPORTANT UNE PLURALITE DE CHAMBRES
D'ANALYSE POUR RECEVOIR UN LIQUIDE BIOLOGIQUE
DOMAINE DE L'INVENTION
Le domaine technique de l'invention est celui de l'analyse
biologique en vue de détecter la présence et/ou la concentration
d'un analyte dans un échantillon de liquide biologique.
L'invention concerne plus particulièrement une cartouche
comportant une pluralité de chambres d'analyse pour recevoir le
liquide biologique. La cartouche est préférentiellement destinée
à être exploitée dans un dispositif portable d'analyse
immunologique du type Point of Care , c'est-à-dire permettant
de réaliser et d'interpréter un test sur place pour prendre une
décision clinique immédiate, au chevet du patient plutôt que
dans un laboratoire central. Elle peut également être exploitée
dans tout autre type d'analyse biologique, par exemple pour des
analyses biologiques moléculaires ou des analyses de cellules.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
On connaît du document EP3447492 un procédé de capture et de
détection d'une molécule, souvent désignée analyte , dans un
échantillon d'un liquide biologique. Les principes de capture et
de détection de motifs mis en uvre par ce procédé sont également
exposés dans l'article de Fratzl et al Magnetophoretic induced
convective capture of highly diffusive superparamagnetic
nanoparticles", Soft Matter, 14. 10.1039/C7SM023240. Selon ce
procédé, on mélange l'échantillon avec des particules
magnétiques de tailles nanométriques ou plus généralement sub-
micrométriques respectivement couplées à des éléments de capture
aptes à se lier à la molécule dont on souhaite détecter ou
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quantifier la présence. La molécule à détecter, l'analyte, peut
être un antigène et l'élément un anticorps, mais la configuration
inverse est également possible. On introduit également dans
l'échantillon des éléments de détection, par exemple un
anticorps de détection portant un marqueur photoluminescent, par
exemple fluorescent. On forme ainsi dans la solution des
complexes formés de l'élément de capture, de l'analyte, et de
l'élément de détection qui sont ensuite immobilisés sur un
support comprenant des micro sources magnétiques ordonnées selon
un motif spatial déterminé. Le motif est défini par des zones
de champ magnétique fort et des zones de champ magnétique faible
induisant des gradients de champ magnétique importants. Les
complexes entrainés par les particules magnétiques ont tendance
à s'agglomérer sur le support au niveau des zones où la norme
du champ magnétique est maximale. Les marqueurs
photoluminescents (et notamment fluorescents) peuvent rendre
apparent le motif spatial déterminé, ce qui signe la présence de
l'analyte dans la solution. L'intensité moyenne (spatialement)
de ce motif lumineux est usuellement désignée signal
spécifique .
Dans la plupart des cas, et particulièrement lorsque l'analyte
est absent de l'échantillon ou lorsque sa quantité est limitée
dans l'échantillon, les éléments de détection non liés portant
les marqueurs photoluminescents restent dispersés en suspension
dans la solution. Ils contribuent à former un fond lumineux
relativement homogène. L'intensité moyenne (spatialement) de ce
fond lumineux forme un signal appelé signal du surnageant .
Outre les marqueurs photoluminescents non liés, ce fond lumineux
est également constitué par l'intensité lumineuse émise par
toutes les matières photoluminescentes de l'échantillon. Les
éléments de capture non liés à l'analyte et à l'élément de
détection sont également immobilisés sur le support, mais ne
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portant pas de marqueurs, ils ne contribuent pas au motif
lumineux ou au fond lumineux.
L'ordonnancement spatial dans le plan du support des micro
sources de champ magnétique et l'intensité lumineuse des motifs
rendus apparents par les marqueurs photoluminescents permettent
de réaliser une détection et une quantification de l'analyte
dans l'échantillon sans lavage, c'est-à-dire sans éliminer la
solution liquide après avoir immobilisé les complexes à la
surface du support, ce qui est particulièrement avantageux. Pour
permettre cette détection, on illumine l'échantillon et la
surface du support pour permettre la détection des marqueurs
photoluminescents et on procède à l'acquisition d'une image
numérique. Cette image numérique présente donc une intensité
spatialement variable (dans le plan de l'image) selon
l'intensité du champ magnétique produit par le support. L'image
est traitée pour y repérer cette variation spatiale, et pour
déterminer le signal spécifique et le signal du surnageant, et
le rapport signal spécifique/signal du surnageant permet de
conclure à la présence de l'analyte dans l'échantillon voire
d'en estimer la concentration.
La simplicité de cette approche, et notamment l'absence d'étape
de lavage, permet son intégration dans un dispositif d'analyse
immunologique autonome, portable ou transportable au chevet du
patient , sur le terrain et sans pompe ni valve, alors que
traditionnellement ce type d'analyse est conduit dans un
laboratoire central.
Pour permettre l'application du procédé de détection, le liquide
biologique est introduit dans une cartouche comportant une
pluralité de chambres d'analyse, cette cartouche étant destinée
à être introduite dans le dispositif d'analyse. La pluralité de
chambres d'analyse permet de conduire plusieurs analyses à
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partir d'un échantillon de liquide biologique, chaque analyse
pouvant être indépendamment conduite sur des échantillons
respectivement détenus dans chacune des chambres.
La cartouche comprend une ouverture de déversement du liquide,
une pluralité d'évents disposés en aval des chambres d'analyse
et un réseau de canaux pour fluidiquement relier l'ouverture aux
chambres d'analyse. L'échantillon de liquide biologique déversé
dans l'ouverture se propage par capillarité dans le réseau de
canaux pour emplir les chambres. On a toutefois observé que la
propagation du liquide dans le réseau de canaux n'était pas
identique d'un canal à l'autre. L'écoulement peut privilégier
certains canaux, ce qui peut conduire à générer un débordement
du liquide de la cartouche. D'une manière plus générale,
certaines chambres peuvent se remplir plus lentement, voir ne
pas se remplir du tout. En conséquence de ce phénomène, les
analyses sont retardées, voire même parfois impossibles à mener
sur certaines au moins des chambres d'analyses de la cartouche.
Le document US2004/028566 porte sur un dispositif micro-
fluidique et vise à maitriser l'écoulement du fluide dans ce
dispositif en combinant un déplacement de ce fluide par des
efforts de pression exercés par une pompe externe. Plus
précisément, ce document vise à permettre d'injecter et de
maitriser l'écoulement d'une pluralité' de fluides dans une
cartouche d'analyse selon plusieurs directions. Un écoulement
est réalisé par capillarité, l'autre est forcé par un effort de
pression extérieur.
OBJET DE L'INVENTION
Un but de l'invention est donc de fournir une solution au moins
partielle à ce problème. Plus précisément, un but de l'invention
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est de fournir une cartouche destinée à être exploitée dans un
dispositif portable d'analyse immunologique du type Point of
Care et comportant une pluralité de chambres d'analyse, ces
chambres pouvant être emplies par capillarité d'un liquide
biologique de manière fiable, répétable et au cours d'une période
de remplissage dont la durée est contrôlée. Un but de l'invention
est donc de mieux maitriser la propagation par capillarité du
liquide biologique dans la cartouche. Avantageusement, l'analyse
immunologique est du type magnétique, mettant en uvre des
particules magnétiques pour marquer la présence de l'analyte
dans un échantillon de liquide biologique.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, l'objet de l'invention
propose une cartouche d'analyse optique présentant une marche et
conforme à la revendication 1.
On tire profit des caractéristiques revendiquées de la marche
pour maitriser la propagation du liquide biologique dans le
réseau fluidique de la cartouche et notamment pour favoriser le
chargement en liquide biologique des chambres du réseau de
manière fiable, répétable et au cours d'une période de
remplissage dont la durée est contrôlée.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives
de l'invention, prises seules ou selon toute
combinaison techniquement réalisable :
= la paroi faisant face à la paroi structurée est plane et
présente une troisième énergie de surface supérieure à la
première énergie de surface et à la deuxième énergie de
surface ;
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= la marche présente un flanc, et l'énergie de surface du
flanc de la marche est plus proche de la première énergie
que de la deuxième énergie ;
= les surfaces principales du support et du capot supérieur
(7) présentent un caractère hydrophile ;
= le réseau de canaux comporte un canal amont pour
fluidiquement relier l'ouverture à la chambre d'analyse, et
un canal d'éventement pour fluidiquement relier la chambre
d'analyse à un évent ;
= une marche est disposée dans au moins un canal d'éventement
et tend à réduire la hauteur de ce canal dans le sens de
l'écoulement du fluide ;
= la cartouche d'analyse comprend au moins une chambre
d'incubation fluidiquement disposée en amont de la chambre
d'analyse d'une voie d'analyse ;
= la chambre d'analyse et/ou la chambre d'incubation comprend
au moins un réactif ;
= le réactif comprend des marqueurs photoluminescents, et le
capot supérieur, au moins pour la partie qui surplombe les
chambres d'analyse, est formé d'une matière transparente
dans la gamme des longueurs d'onde des marqueurs
photoluminescents ;
= le capot supérieur présente une partie au moins d'une
surface extérieure optiquement polie;
= l'ouverture est surmontée d'un réservoir et les évents sont
respectivement surmontés de parois périphériques présentant
une hauteur au moins égale à une hauteur du réservoir.
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= le film intercalaire est un film adhésif, avantageusement
un film adhésif double face ;
= la couche magnétique comprend des régions polarisées
magnétiquement définissant un motif de détection déterminé.
Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de
fabrication de cette cartouche d'analyse, le procédé comprenant
la fourniture du support et du capot supérieur et l'assemblage
du support au capot supérieur en mettant en vis-à-vis leurs
surfaces principales respectives et ainsi former les parois se
faisant face qui définissent les canaux.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va
suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
[Fig. la]
[Fig. lb] Les figures la et lb représentent une cartouche
conforme à l'invention respectivement en perspective et en vue
éclatée ;
[Fig. lc] La figure lc représente schématiquement un exemple de
réseau fluidique d'une cartouche conforme à l'invention ;
[Fig. 2a] La figure 2a représente une coupe longitudinale d'un
canal mettant en uvre une caractéristique permettant de freiner
ou d'accélérer l'écoulement du fluide biologique ;
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[Fig. 2b] La figure 2b représente une coupe longitudinale d'un
canal d'éventement comportant une restriction de hauteur, sous
la forme d'une marche ;
[Fig. 3] La figure 3 représente une coupe transversale de la
cartouche au niveau des chambres d'analyse ;
[Fig. 4] La figure 4 représente schématiquement en vue de dessus
un motif de détection défini par l'aimantation produite par une
couche magnétique intégré dans le support d'une cartouche, le
champ magnétique présent dans une chambre d'analyse et la norme
de ce champ ;
[Fig. 5] La figure 5 représente un dispositif d'analyse pour
exploiter une cartouche conforme à l'invention ;
[Fig. 6] La figure 6 représente d'autres vues des éléments
composant une cartouche conforme à l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Les figures la et lb représentent une cartouche 1 pour recevoir
des échantillons d'un liquide biologique qui est susceptible de
contenir un analyte que l'on souhaite détecter ou dont on
souhaite déterminer la concentration. Cette cartouche 1 comporte
une extrémité de préhension la, qui permet de la manipuler.
L'extrémité de préhension de la cartouche porte ici une
étiquette, disposée du côté de la face supérieure de la cartouche
et permettant notamment de l'identifier à l'aide d'une marque
d'identification, par exemple un code QR, ou pour porter tout
autre type d'informations.
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La cartouche 1 comporte également une partie microfluidique lb.
Cette partie s'étend selon un plan principal destiné à être
positionné horizontalement. Comme cela est illustré
schématiquement sur la figure lc, elle comprend une ouverture 2
de déversement permettant l'introduction du liquide biologique
dans la cartouche 1, par exemple par l'intermédiaire d'une
pipette. L'ouverture 2 débouche dans un réseau de canaux 4, 4'
s'étendant dans le plan principal de la cartouche 1 et permettant
l'écoulement et la distribution du liquide biologique dans une
pluralité de chambres d'analyse 5 par l'intermédiaire de canaux
4, dits amonts , du réseau de canaux.
Le réseau de canaux de la cartouche 1 comprend également des
canaux d'éventement 4' qui relient fluidiquement et
respectivement les chambres d'analyse 5 à des évents 3, ces
évents permettant de chasser l'air du réseau fluidique de la
cartouche 1 au fur et à mesure de la progression du liquide
biologique dans ce réseau.
L'échantillon analysé est formé du liquide biologique qui emplit
une chambre 5, et la cartouche 1 illustrée permet donc de
conduire une pluralité d'analyses sur le liquide biologique, une
analyse pouvant être indépendamment conduite sur les
échantillons respectivement détenus dans les chambres 5.
L'ouverture 2, les évents 3 et le réseau de canaux 4, 4' reliant
l'ouverture 2 aux évents 3 définissent une pluralité de voies
d'analyse de la cartouche 1.
Dans l'exemple représenté sur les figures la et lb, l'ouverture
2 est surmontée d'un réservoir 2', saillant sur une face
supérieure de la cartouche 1. Le réservoir présente une capacité
suffisante pour détenir un volume de liquide biologique au moins
égal au volume du réseau fluidique de la cartouche 1 (c'est-à-
dire le réseau de canaux 4, les chambres d'analyses 5 et les
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canaux d'éventement 4' comme cela est illustré sur la figure
1c). Ce volume peut être typiquement compris entre 5 mm^3 et
500 mmA3, et plus précisément entre 20 mmA3 et 100 mmA3.
Similairement, les évents 3 sont respectivement surmontés de
parois périphériques afin de retenir un volume de liquide
biologique en excès, selon le principe des vases communiquant.
Avantageusement, ces parois présentant une hauteur au moins
égale à la hauteur du réservoir 2' afin d'éviter que le liquide
ne s'échappe de la cartouche, ce qui pourrait poser des problèmes
sanitaires, voire même endommager un dispositif d'analyse dans
lequel la cartouche est destinée à s'insérer.
A titre d'illustration, la cartouche 1 peut présenter une
dimension comprise entre 2 cm et 10 cm en largeur et en longueur,
et présenter une épaisseur comprise entre 4mm et lOmm. Chaque
chambre 5 peut présenter un volume typiquement compris entre 1
et 50 mmA3 pour recevoir l'échantillon, avantageusement entre
5 et 25 mmA3.
La cartouche 1 est formée d'un support 6 et d'un capot supérieur
7 recouvrant le support. Le support 6 et le capot supérieur 7
sont assemblés l'un à l'autre en mettant en vis-à-vis leurs
surfaces dites principales . Le réseau fluidique de la
cartouche 1 est défini par des évidements formés sur la surface
principale du support 6 et/ou sur la surface principale du capot
supérieur 7, c'est-à-dire sur les faces de ces deux éléments qui
sont destinées à être assemblées l'une à l'autre. Chaque canal
du réseau 4, 4', est défini par deux parois de canal, ces parois
se faisant face et définissant une hauteur de canal, et par deux
parois latérales définissant une largeur de canal. Les parois
sont formées des surfaces principales du support 6 et du capot
supérieur 7, au niveau de leurs évidements. Il en va de même
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pour les chambres d'analyse 5 de la cartouche 1 et pour tout
autre élément du réseau fluidique de cette cartouche 1.
Le capot supérieur 7, au moins pour la partie qui surplombe les
chambres d'analyse 5, est formé d'une matière transparente dans
la gamme de longueurs d'onde d'émission des marqueurs
photoluminescents lorsque la cartouche est exploitée pour
l'analyse immunologique présentée en introduction de cette
demande. Il peut s'agir d'une matière plastique par exemple à
base de polycarbonate, de copolymère cyclo oléfinique ou de
polystyrène. Il peut encore s'agir de verre. La surface
extérieure du capot 7 est optiquement polie au moins au droit
des chambres d'analyse 5. Ces caractéristiques permettent et
favorisent l'analyse optique des échantillons de liquide
biologique contenu dans les chambres 5, comme cela sera exposé
dans une section ultérieure de cette description.
Le réseau fluidique, tel que celui présenté sur la figure lc à
titre d'illustration, s'étend donc dans le plan principal de la
cartouche. Il est de dimension millimétrique, c'est-à-dire que
la largeur des canaux du réseau 4, 4' et des chambres d'analyse
est typiquement comprise entre 0,1 et lOmm. La hauteur de ces
éléments, c'est-à-dire leur étendue selon une direction
perpendiculaire au plan principal de la cartouche 1, est
également millimétrique, entre 0,1 et lOmm. Le liquide
biologique se propage dans ce réseau par capillarité.
Selon une caractéristique importante de la cartouche 1, une des
parois définissant la hauteur d'au moins un canal, dite paroi
structurée , présente une marche et l'énergie des surfaces en
amont et en aval de la marche est maitrisée pour, au choix,
accélérer ou ralentir la propagation du fluide dans le canal.
Par énergie de surface on désigne, par simplicité
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d'expression, la densité surfacique d'énergie entre la surface
considérée et le liquide biologique.
Une cartouche 1 conforme à la présente invention tire profit de
cette caractéristique pour favoriser le chargement en liquide
biologique des chambres 5 du réseau fluidique, et plus
généralement pour maitriser la propagation de ce liquide dans le
réseau fluidique de la cartouche.
Plus précisément, et en référence à la figure 2a, un canal au
moins de la cartouche 1 comprend une marche M qui définie un
premier segment Si du canal dans lequel la paroi structurée (ici
formée par la surface principale du support 6) présente une
première énergie de surface El et une première élévation el
définissant une première hauteur du canal hl. La marche M définit
également un deuxième segment S2 du canal dans lequel la paroi
structurée présente une deuxième énergie de surface E2 et une
deuxième élévation e2 définissant une deuxième hauteur du canal
h2. La première hauteur du canal hl et la première énergie de
surface El de la paroi structurée sont respectivement
supérieures à la deuxième hauteur du canal h2 et à la deuxième
énergie de surface E2 du deuxième segment S2.
La variation de hauteur du canal, combinée à la variation de
l'énergie des surfaces en amont et en aval de cette variation
permet d'influencer l'écoulement du fluide dans le canal.
Ainsi, lorsque le fluide rencontre une marche montante ,
c'est-à-dire qu'il s'écoule par capillarité de la première
section Si du canal à la deuxième S2, son écoulement est ralenti
par la restriction de hauteur formée par la marche combinée à
la moindre énergie de surface du deuxième segment. Inversement,
lorsque le fluide rencontre une marche descendante , c'est-
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à-dire qu'il s'écoule par capillarité de la deuxième section S2
du canal à la première Si, sa progression est accélérée.
On rappelle que la densité surfacique d'énergie est une grandeur
positive qui caractérise une interface, ici l'interface entre la
surface de la paroi structurée et le liquide biologique. Elle
peut être déterminée, comme cela est bien connu en soi, en
mesurant l'angle de contact d'une goutte d'eau, disposée sur la
surface dont on cherche à mesurer l'énergie. Un angle de contact
élevé, supérieur à 90 indique une faible densité surfacique
d'énergie, et la surface est dite hydrophobe. Inversement, un
angle de contact inférieur à 90 indique une forte densité
surfacique d'énergie est la surface dite hydrophile. Une surface
relativement plus hydrophobe aura tendance à ralentir la
progression par capillarité d'un fluide en comparaison avec la
progression du fluide sur une surface relativement plus
hydrophile.
A titre d'illustration de ces principes, on a présenté sur la
figure 2b une marche montante disposée dans un canal
d'éventement 4' de la cartouche, c'est-à-dire un canal disposé
entre une chambre d'analyse 5 et un évent 3. Le fluide progresse
donc dans ce canal vers l'évent 3. La marche formée sur le
support 6, définie une section amont du canal d'éventement (le
premier segment du canal, pour reprendre les termes des principes
généraux de l'invention) qui présente, sur le support 6, une
énergie de surface plus importante que l'énergie de surface de
la section aval (du côté de l'évent 3, le deuxième segment) du
canal 4'. Avantageusement, on peut prévoir de disposer d'une
telle marche dans chaque canal d'éventement 4' de la cartouche
1, dans chacune des voies d'analyse de la cartouche.
Ces caractéristiques de la cartouche 1 ont pour effet de freiner
la progression du liquide biologique lorsqu'il rencontre la
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marche, après qu'il ait progressé par capillarité le long d'un
canal du réseau 4 et à travers la chambre d'analyse 5. Cet effet
de freinage, lorsqu'il survient dans un canal d'éventement 4'
qui se rempli plus rapidement que les autres, conduit à forcer
l'écoulement du liquide dans les autres voies du réseau (i.e.
alimentant les autres chambres d'analyse 5 de la cartouche 1) et
à équilibrer la progression du liquide dans chacune de ces voies.
Ces caractéristiques du canal ou des canaux d'éventement 4'
assurent donc le remplissage des chambres d'analyse 5 en liquide
biologique de manière fiable, répétable et au cours d'une période
de remplissage dont la durée est contrôlée. On pourrait prévoir
que la ou les marches montantes soient disposées dans un
canal amont 4 ou dans une pluralité de canaux amonts 4, plutôt
que dans les canaux d'éventement 4'. Certaines de ces marches
peuvent être disposées dans un canal amont 4, et d'autres dans
un canal aval d'éventement 4'.
D'une manière plus générale, une cartouche 1 conforme à
l'invention peut présenter une ou une pluralité de marches dans
chaque voie d'analyse, montante et/ou descendante. On peut ainsi
prévoir qu'une marche descendante soit disposée dans le
canal amont 4 alimentant une chambre 5 d'une voie d'analyse, et
qu'une marche montante soit disposée, dans cette même voie
d'analyse ou dans une autre, dans le canal d'éventement 4'
reliant cette chambre 5 à l'évent 3.
De manière avantageuse, et comme cela est illustré sur les
figures 2a et 2b, la marche provoque une variation brusque de
hauteur du canal dans laquelle elle est située, le flanc de la
marche faisant un angle de 90 avec la paroi. Mais plus
généralement, ce flanc peut former un angle compris entre 600 et
900. Cette marche peut être formée sur le support 6, comme cela
est illustré sur les figures 2a et 2b, mais on peut envisager
de la former entièrement ou en partie sur la paroi opposée, du
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côté du capot supérieur 7. Elle peut présenter une hauteur
comprise entre 0,1 et 0,5 mm pour freiner ou accélérer
efficacement la progression du liquide. Avantageusement, le
flanc de la marche présente une énergie de surface plus proche
de la première énergie de surface El que de la deuxième énergie
de surface E2.
Les surfaces principales du support 6 et du capot supérieur 7
(et donc les parois des canaux 4, 4' et des chambres 5 de la
cartouche 1) sont préférentiellement choisies ou traitées pour
qu'elles présentent un caractère hydrophile. Ce caractère permet
généralement de faciliter la progression du fluide dans le réseau
fluidique par capillarité. De manière surprenante, il n'est pas
nécessaire que l'écart entre la première énergie de surface El
du premier segment Si et la deuxième énergie de surface E2 du
deuxième segment S2 du canal soit très important. Il n'est en
particulier pas nécessaire que la deuxième énergie de surface
E2, sur la section haute de la marche, soit de nature
hydrophobe pour retenir la progression du liquide. Mesuré en
angle de contact, l'écart entre ces deux énergies El, E2 peut
être de 50 ou plus, ou 10 ou plus et ces énergies conférer une
nature hydrophile aux surfaces, c'est-à-dire que l'angle de
contact reste inférieur à 90 . A titre d'exemple, le premier
segment S1 peut présenter un angle de contact, qualifiant la
première énergie El, compris entre 50 et 80 , et le deuxième
segment S2 présenter un angle de contact compris entre 65 et
89 (tout en maintenant un écart de 5 au moins). On donnera
dans la suite de cette description un exemple détaillé de
préparation d'un support 6 permettant de maitriser les première
et deuxième énergies de surface El, E2 conformément à ce qui
vient d'être présenté.
Avantageusement, la paroi opposée à la paroi structurée présente
une troisième énergie de surface supérieure à la première énergie
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El et à la deuxième énergie E2 de surface. Elle peut être
comprise entre 15 et 65 (tout en restant avantageusement
supérieure aux première et deuxième énergies de surface), et
avantageusement inférieure à 500, voire proche ou plus petite
que 35 . Cette énergie conduit à former sur cette paroi opposée
une surface plus hydrophile que celle de la paroi structurée et
permet généralement d'entrainer le liquide par capillarité dans
le réseau fluidique. Les énergies variables de la paroi
structurée dans les différents segments Sl, S2 du canal permet
de moduler cette progression. Lorsque la paroi présentant cette
troisième énergie E3 est fournie par la surface principale du
capot supérieur 7, celle-ci peut avoir été traitée par un agent
de surface, par exemple à base de poloxamère, tendant à accroitre
le caractère hydrophile de cette surface.
Bien naturellement, on peut prévoir une cartouche comportant un
réseau fluidique plus complexe que celui pris en exemple. Ainsi,
une voie d'analyse de la cartouche peut inclure d'autres chambres
que la chambre d'analyse 5, comme par exemple une ou une
pluralité de chambres d'incubation disposée en amont de la
chambre d'analyse 5. Ces chambres d'incubation peuvent comporter
des réactifs distincts auxquels le fluide se mélange avant d'être
transporté dans la chambre d'analyse 5. Le réseau de canaux 4,
4' peut donc également être plus complexe que celui représenté
sur les figures, et s'étendre dans chaque voie d'analyse, de
l'ouverture 2 à l'évent 3, en reliant fluidiquement les
différentes chambres selon toute configuration envisageable.
En référence aux figures lb, 6 et 3, cette dernière figure
représentant une coupe transversale d'une cartouche 1 au niveau
des chambres d'analyse 5, on décrit plus précisément un mode de
réalisation d'une cartouche 1 conforme à l'invention. La
cartouche 1 de ce mode de réalisation permet d'appliquer une
analyse immunologique magnétique, mettant donc en uvre des
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particules magnétiques pour marquer la présence de l'analyte
dans un échantillon de liquide biologique. Ce mode de réalisation
permet également de maitriser simplement les énergies de
surfaces sur les différents segments amonts et avals des marches
(ou de la marche) présentent dans le réseau fluidique de cette
cartouche.
Le support 6 est composé ici d'un substrat rigide 6a comportant
une couche ou une zone magnétique 6b. Le substrat 6a peut être
formée d'une matière plastique. La couche/zone magnétique 6b
peut être disposée sur le substrat 6a, ou intégrée à ce substrat,
au moins au niveau des chambres d'analyse 5 du réseau fluidique.
Elle ne recouvre pas nécessairement toute la surface du substrat
6a.
La couche magnétique 6b est typiquement composée de matériaux
composites magnétiques, tels que des ferrites, aléatoirement
distribués dans un polymère ou bien orientés selon un axe de
pré-orientation. Cette couche magnétique peut être similaire à
une bande magnétique d'enregistrement conventionnelle.
Le substrat 6a peut également comporter un film amagnétique 6c
(ou d'une pluralité de tels films) en recouvrement de la couche
magnétique 6b, et plus généralement du substrat 6a. Ce film
amagnétique 6c est optionnel, il vise à éloigner la couche
magnétique 6b du fond de la chambre d'analyse 5, lorsque la
cartouche 1 a été formée par assemblage du support 6 au capot
supérieur 7. Pour ne pas perturber la mesure, le film amagnétique
6c présente une faible autofluorescence. Par souci de clarté, on
désigne par amagnétique un matériau dont la susceptibilité
magnétique est très faible, comme un matériau paramagnétique ou
diamagnétique. Le film amagnétique 6c peut par exemple être formé
d'un matériau plastique, tel que du polypropylène.
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Dans tous les cas, le substrat 6a présente une surface exposée
Al qui peut être constituée du substrat 6a lui-même ou de la
couche amagnétique 6c lorsque celle-ci est présente. Cette
surface exposée Al est destinée à former la première section Si
de la paroi structurée d'un canal du réseau fluidique de la
cartouche. La surface exposée Al est conçue ou a été traitée
pour présenter la première énergie de surface El, de nature
hydrophile. Cette première énergie de surface El peut résulter
du choix du matériau formant la surface exposée, ou de sa
texturation ou d'un traitement, par exemple au plasma ou par
l'intermédiaire d'un agent tensioactif, visant à rendre cette
surface particulièrement hydrophile. Comme on l'a déjà précisé,
cette première énergie de surface El peut être caractérisée par
un angle de contact compris entre 50 et 800
.
Outre le substrat 6a, le support 6 comprend également un film
intercalaire 6d disposé sur la surface exposée Al du substrat
6a. Le film intercalaire 6d de la figure lb présente une découpe
selon un motif correspondant au réseau de canaux amonts 4 et aux
chambres d'analyse 5 et avantageusement à l'ouverture 2. D'une
manière générale, le film intercalaire 6d présente des découpes
D visant à définir une partie du réseau fluidique de la
cartouche. Lorsque ce film intercalaire 6d est assemblé
superficiellement au substrat 6a pour former le support 6, ce
dernier présente donc des évidements reproduisant le motif de
découpe D du film 6d. Ces évidements, en combinaison avec des
évidements complémentaires formés dans le capot supérieur 7,
constituent le réseau de canaux 4, 4', les chambres d'analyse 5,
et tout autre élément du réseau fluidique de la cartouche 1. On
note que le motif de découpe D du film intercalaire 6d de la
figure lb ne reprend pas l'empreinte des canaux d'éventement 4',
et que ceux-ci sont donc exclusivement constitués par des
évidements formés dans le capot supérieur 7 et pas dans le
support 6. Cet agencement conduit à former une marche montante
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à l'entrée des canaux d'éventement 4', comme cela a été pris en
exemple antérieurement. D'une manière plus générale, le motif de
découpe D du film intercalaire 6d correspond à une partie
seulement du réseau fluidique de la cartouche 1 afin de
constituer les marches de ce réseau.
La surface exposée A2 du film intercalaire 6d (comprenant la
face opposée à celle mise en contact avec le substrat 6a est
destinée à former la deuxième section S2 de la paroi structurée
d'un canal du réseau fluidique de la cartouche 1. Elle est conçue
ou a été traitée pour présenter la deuxième énergie de surface
E2, de nature hydrophile également, mais inférieure à la première
énergie de surface El. Cette deuxième énergie de surface E2 peut
résulter du choix du matériau formant le film intercalaire ou sa
surface, ou de sa texturation ou d'un traitement spécifique.
Comme on l'a déjà précisé, cette deuxième énergie de surface E2
peut être caractérisée par un angle de contact compris entre 65
et 89 (tout en étant supérieure à la première énergie de surface
El).
Dans cette configuration, et lorsque le film intercalaire 6d
présentant les découpes D a été assemblé au substrat 6a, la
surface principale du support 6 est alors constituée d'une
surface exposée A2 du film intercalaire 6d présentant la deuxième
énergie de surface E2 et de la surface exposée Al du substrat
6c, au niveau des découpes D du film intercalaire 6d, présentant
la deuxième énergie de surface E2.
Avantageusement, le film intercalaire 6d est un film adhésif,
permettant également d'assembler et de retenir hermétiquement
l'un à l'autre le capot supérieur 7 au support 6 au niveau de
leurs surfaces en contact, c'est-à-dire entourant les
évidements. Il peut s'agir d'un film adhésif double face,
assurant alors simultanément son assemblage au substrat 6a, et
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au capot supérieur 7. Comme cela est bien connu en soi, un tel
film est constitué d'une bande, par exemple plastique, dont les
deux faces sont enduites d'un matériau adhésif. De par sa nature,
ce matériau adhésif peut présenter naturellement une énergie de
surface inférieure à celle de la surface exposée du substrat 6a
et donc constituer la deuxième énergie de surface.
Qu'il soit formé d'un film intercalaire adhésif double face ou
pas, la cartouche 1 est assemblée en fournissant le substrat 6a
muni de la zone magnétique 6b, en disposant le film intercalaire
6d sur ce substrat 6a et ainsi former le support 6, puis en
assemblant cet ensemble au capot supérieur 7. Cet assemblage est
réalisé en alignant les évidements complémentaires disposés sur
la surface principale de ce capot 7 sur ceux définis par le motif
de découpe D de la couche intercalaire 6d du support 6. On
définit de la sorte le réseau fluidique de la cartouche 1.
On peut naturellement prévoir de disposer, sur le film
intercalaire 6d, d'autres films présentant d'autres motifs de
découpe de manière à former dans le réseau fluidique une
pluralité de marches montantes ou descendantes consécutive dans
un canal. On prendra soin dans ce cas de préserver la relation
selon laquelle, au niveau de chaque marche, l'énergie de surface
du segment du canal présentant la hauteur la plus grande soit
supérieure à l'énergie de surface du segment de canal présentant
la hauteur la plus petite.
Revenant à la description du caractère magnétique de la
cartouche, la couche magnétique 6b comprend une succession de
régions polarisées dans deux directions différentes (opposées
sur la figure 3). Comme cela est représenté sur la figure 4 qui
représente en vue de dessus la couche magnétique 6b, les régions
polarisées magnétiquement s'étendent en ligne selon une
direction principale P dans l'exemple représenté.
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Aux interfaces entre deux zones de polarisations différentes, on
crée des régions de relativement forte intensité magnétique,
désignés zones d'attraction dans la suite de cet exposé. Les
zones d'attraction sont donc agencées sous la forme d'une
pluralité de lignes Za orientée selon la direction principale P.
L'agencement particulier de ces lignes définit, en combinaison,
un motif de détection.
Il est entendu que l'agencement en ligne pris en exemple ne forme
qu'un cas particulier d'un motif de détection. Une cartouche 1
est plus généralement munie de régions polarisées magnétiquement
et définissant un motif de détection bien déterminé, mais dont
la configuration peut être librement choisie.
On a représenté également sur la figure 4 respectivement le champ
Bc généré par la couche magnétique 6b et la norme de ce champ.
Comme cela sera exposé dans suite de cet exposé, il peut être
utile d'ajouter un champ additionnel externe Bext, au champ
produit par la couche 6b. On a représenté sur la figure 4 ce
champ extérieur Bext qui se combine au champ Bc produit par la
couche et la norme de ce champ combiné. On observe que
l'application de ce champ magnétique extérieur Bext peut
conduire à éliminer certaines zones d'attraction Za produite
lorsque seul le champ fourni par la couche magnétique 6b est
présente. Mais dans tous les cas, ces zones d'attractions sont
disposées selon des lignes Za orientées selon la direction
principale P, ou plus généralement selon un motif de détection
dont les caractéristiques sont parfaitement déterminées.
Dans le cas d'une chambre 5 présentant les dimensions indiquées
précédemment, on peut envisager de former un motif de détection
comprenant entre 2 et 50 lignes, celles-ci présentant une
épaisseur comprise entre 1 et 150 microns (avantageusement entre
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et 30 microns) et séparées entre elles d'un espacement compris
entre 5 et 300 microns, avantageusement entre 25 et 150 microns.
Revenant à la description de la figure 3, la cartouche 1 a été
préparée pour placer dans chaque chambre 5 une quantité maîtrisée
de particules magnétiques 9 de dimensions nanométriques,
typiquement comprise entre 25 nm et 500nm, et préférentiellement
entre 100 et 260nm. Ces particules se présentent typiquement
sous la forme de billes présentant des caractéristiques
superparamagnétiques et sont biocompatibles. Elles peuvent
notamment être couvertes d'un polymère (de type polystyrène)
disposant d'un traitement de surface qui leur permet d'être
fonctionnalisées par des protéines de type Ac ou Ag. Les
particules magnétiques sont liées à des éléments de capture aptes
à s'associer à l'analyte. La quantité maîtrisée des particules
est telle que leur concentration dans le volume de la chambre
une fois remplie par le liquide biologique soit comprise entre
10^6 et 10^11 particules/ml. La quantité maîtrisée de
nanoparticules et d'éléments de capture est ici disposée sous la
forme d'un amas sec 9 reposant sur le support 6 de la chambre
5.
Similairement, les chambres 5 contiennent également chacune un
amas sec 10 d'éléments de détection. Ces éléments de détection
sont également susceptibles de se lier à l'analyte et portent
des marqueurs photoluminescents, par exemple fluorescents.
Les amas sec 9, 10 d'éléments de capture et de détection sont
également visibles sur la figure lb. Ils peuvent être placés sur
le support 6 en des emplacements correspondant à la position des
chambres d'analyse 5, avant que le capot supérieur 7 soit placé
sur le support 6. On pourra s'aider des évidements du support 6
qui définissent notamment l'empreinte des chambres 5, pour
repérer ces emplacements.
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Lorsque l'on introduit du liquide biologique à analyser dans la
cartouche 1, celui-ci s'écoule dans le réseau de canaux 4 pour
emplir les chambres 5 d'analyse et se propager dans les canaux
d'éventement 4'. La présence d'au moins une marche (et de la
variation d'énergie de surface en amont et en aval de cette
marche) dans ces canaux 4, 4' assure le bon remplissage, dans
un temps déterminé, de toutes les chambres d'analyse 5, comme
cela a été précisé dans un paragraphe précédent. Les éléments de
détection 10 et les éléments de capture associés aux particules
magnétiques 9 sont respectivement resuspendus dans l'échantillon
de chaque chambre 5 pour s'y mélanger. Au cours du temps de
réaction qui suit, et lorsque l'analyte est présent dans
l'échantillon, on forme des complexes comprenant un élément de
capture, une particule magnétique, l'analyte, et un élément de
détection. Ces complexes sont immobilisés sur le support 6 de
chaque chambre 5 en s'agglomérant de manière privilégiée au
niveau des maxima d'intensité de champ magnétique, et donc pour
s'arranger selon le motif de détection définie par la couche
magnétique 6b. Les éléments de détection en excès restent en
suspension dans l'échantillon.
On peut prévoir que chaque chambre 5 d'une cartouche 1 soit
préparée pour recevoir des éléments de capture et des éléments
de détection de natures différentes, de manière à procéder à des
analyses multiples du liquide biologique introduit dans la
cartouche 1. On peut également prévoir que le motif de détection
encodé par la portion de la couche magnétique 6b qui est disposée
au niveau d'une chambre 5 soit différent d'une chambre à l'autre.
Dans tous les cas, la présence d'un analyte dans l'échantillon
retenu dans une chambre d'analyse 5 conduit à former un motif
de détection définie par la couche magnétique 6b.
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Pour parfaitement maîtriser les phénomènes qui se déroulent dans
une chambre d'analyse pendant la période de réaction et détecter
la présence et l'intensité du motif de détection à la fin de
cette période, il est avantageux de placer la cartouche 1 dans
ou sur un dispositif d'analyse E représenté schématiquement sur
la figure 5.
Le dispositif E comprend des éléments d'accueil de la cartouche
1 pour la positionner aussi précisément que possible dans une
position d'analyse. Dans cette position, au moins une chambre 5
de la cartouche 1 est disposée dans le champ d'un dispositif de
prise de vue 11, tel qu'un capteur d'image. Cette chambre 5 est
également disposée dans le champ d'illumination d'une source
lumineuse 12, par exemple une source à base de diode
électroluminescente. On peut également prévoir sur le chemin
optique entre la source 12, la chambre 5 et le dispositif de
prise de vue 11 des éléments optiques 13 tels que des
séparateurs, des filtres, des objectifs afin d'améliorer la
qualité de la prise de vue et de notamment choisir un
grossissement et une profondeur de champ adaptés. On peut avec
cet arrangement faire l'acquisition d'une image numérique de
l'échantillon et du support 6 de la chambre 5, afin de révéler
sur l'image l'intensité lumineuse produite par les marqueurs
fluorescents. La cartouche 1 est bien entendu disposée dans le
dispositif d'analyse pour que le capot supérieur 7, transparent
au droit des chambres 5 au moins, soit dans le chemin optique
afin de permettre cette prise de vue.
En opération, les marqueurs photoluminescents en solution dans
l'échantillon ou immobilisés sur le support 6 de la chambre 5
illuminée sont activés à l'aide de la source lumineuse 12 et
rendus visibles dans le plan image du dispositif de prise de vue
11. On peut ainsi procéder à l'acquisition d'une image numérique
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de la distribution dans le plan du support des marqueurs
photoluminescents.
Poursuivant la description du dispositif d'analyse E de la figure
3, celui-ci peut comprendre également un actionneur mécanique
14, par exemple un actionneur piézoélectrique, apte à entrer en
contact avec le support 6 de la cartouche pour y appliquer des
efforts vibratoires. L'actionneur 14 peut être activé après
l'introduction de la cartouche dans ou sur le dispositif E de
manière à permettre la resuspension efficace des éléments de
capture, des particules magnétiques et des éléments de détection
9, 10 dans l'échantillon.
Enfin, le dispositif E peut comprendre une source de champ
magnétique 15, par exemple un électro-aimant, qui peut être
activée de manière à exacerber le champ magnétique produit par
la couche magnétique 6b. Le champ magnétique produit par la
source 15 peut être comprise entre 1 et 400mT au niveau de la
chambre 5, mais elle doit dans tous les cas rester d'intensité
inférieure à la valeur du champ coercitif de la couche magnétique
6b de manière à préserver son aimantation, et le motif de
détection que cette aimantation définie. Le champ produit par la
source 15 est préférentiellement orienté orthogonalement à la
surface du support 6 pour s'additionner au champ généré par la
couche magnétique 6b, et ainsi augmenter l'intensité du champ
magnétique dans les zones d'attraction Za, et renforcer le motif
de détection. Comme on l'a vu précédemment, la présence de ce
champ peut conduire à modifier l'arrangement en ligne Za des
zones d'attraction, ou plus généralement à redéfinir le motif de
détection. Le champ produit par la source 15 peut être continu
ou pulsé, dans ce cas avec une durée d'impulsion typiquement
supérieure à 1 ms. Le champ produit par la source 15 permet
également de magnétiser les particules superparamagnétiques de
l'échantillon. On favorise de la sorte la migration de ces
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particules et des complexes lorsque ceux-ci sont présents vers
la surface du support 6 pour les immobiliser.
Pour mettre en opération le dispositif d'analyse E et réaliser
les traitements numériques de l'image dont on fait
l'acquisition, le dispositif E comprend également un dispositif
de calcul 16. Il peut s'agit d'un microcontrôleur, d'un
microprocesseur, d'un circuit FPGA. Outre les moyens de calcul
à proprement parler, le dispositif de calcul 16 comprend
également des composants mémoire permettant de stocker des
données et des programmes informatiques permettant de faire
fonctionner le dispositif E. Le dispositif de calcul 16 peut
également comprendre des composants d'interface permettant
d'échanger des données (du type interface USB) ou permettant de
relier le dispositif d'analyse E à un équipement de maintenance.
Les composants d'interface peuvent également comprendre un écran
et des boutons de commande pour permettre l'utilisation du
dispositif E par un opérateur. Le dispositif de calcul 16 est
relié, par exemple par l'intermédiaire d'un bus interne, au
dispositif de prise de vue 11, à la source lumineuse 12, à
l'actionneur mécanique 14, à la source de champ magnétique 15
pour coordonner leurs actions et/ou collecter les données
produites, par exemple les images numériques fournies par le
dispositif de prise de vue 11.
Ainsi, une fois la cartouche 1 disposée dans ou sur le dispositif
d'analyse E par un opérateur, retenue par les éléments d'accueil
dans la position d'analyse, la séquence d'actions suivantes peut
être mise en uvre par le dispositif de calcul 16, après par
exemple que le dispositif E ait été actionné par l'intermédiaire
d'un bouton de commande :
- activation de l'actionneur mécanique 14 pour appliquer un
effort vibratoire à la cartouche 1 et engager ou favoriser
la resuspension des éléments de capture, les particules
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magnétiques et les éléments de détection dans
l'échantillon. Cet instant d'activation marque le début de
la période de capture ;
- activation de la source magnétique 15 pour favoriser le
l'immobilisation des particules magnétiques, complexées ou
non avec des analytes, sur le support 6 de la chambre 5 ;
- mise en marche de la source lumineuse 12, puis à
l'expiration de la période de capture, activation du
dispositif de prise de vue 11 pour procéder à l'acquisition
d'une image de l'échantillon et du support. L'image peut
être transférée du dispositif de prise de vue 11 à un
composant mémoire du dispositif de calcul 16 afin de pouvoir
y opérer des traitements.
- traitement de l'image pour déterminer un signal de
détection représentatif de la présence ou de la
concentration de l'analyte dans l'échantillon.
- traitement du signal de détection pour fournir une
infoLmation indiquant la présence, l'absence et/ou la
concentration de l'analyte dans l'échantillon dans une
mesure standard, par exemple en partie par ml.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en
uvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation
sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les
revendications.
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