EP1273346A1 - Multi-channel fluid dispensing apparatus - Google Patents
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- B01L3/02—Burettes; Pipettes
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- B01L3/0268—Drop counters; Drop formers using pulse dispensing or spraying, eg. inkjet type, piezo actuated ejection of droplets from capillaries
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- B01L3/021—Pipettes, i.e. with only one conduit for withdrawing and redistributing liquids
Definitions
- the present invention relates to the production of miniaturized networks with high density of samples of biological substances (oligonucleotides, DNA, ...), often called “biochips", for processing.
- Such networks are particularly useful tools in the field of molecular biology, as evidenced in particular by the publications "High-density oligonucleotides arrays "(A. P. Blanchard et Al. - Biosensors & Biolectronics, Vol. 11, N ° 6/7, pp. 686-690, 1996) and "Array of hope” (E. S. Lander - Nature Genetics Supplement, Vol. 21, January 1999).
- the invention relates, more particularly, to a multi-channel fluid dispenser for withdrawing liquid from a plurality of cavities formed on a reservoir tray and then deposit a network of micro-drops on a receiving tray so as to constitute a "biochip".
- Figures 1 and 2 show at 10 a tank tray, glass or plastic rigid, provided with a plurality of cavities 12, arranged in a matrix, in each of which a biological liquid 14 is arranged, samples of which must be deposited, in the form of micro-drops, on a receiving tray miniaturized 16, also made of glass or rigid plastic (nylon).
- the reservoir tray 10 has a surface of approximately 100 cm 2 (12.5 cm x 8.5 cm) and has 384 cavities 12, having a volume of approximately 10 ⁇ l, arranged in a matrix of 16 columns of 24 rows and separated by from each other, center to center, of about 4.5 mm.
- the receiving plate 16 does not have cavities and has an area of only about 1 cm 2 (1.2 cm x 0.8 cm).
- the device according to the invention comprises a plurality of flexible transfer plates 18 assembled between they. These plates are made of polyimide, for example and have a thickness of the order of 50 to 150 ⁇ m.
- Each plate 18 has a lower part in the form of an isosceles trapezium 20, forming a fluidic interface, the large base of which has substantially the same length as the width I 1 of the reservoir plate 10 and is crenellated so as to end in as many portions of 'ends 22 that the reservoir plate has columns of cavities 12, or 16 in the example described.
- the slots are dimensioned so that the portions 22 can enter the cavities 12.
- the trapezoid-shaped fluid interface 20 is extended, from its small base, by a rectangular part 24 whose length corresponds substantially to the width I 2 of the receiving plate 16.
- Each flexible plate 18 is provided with a bundle of channels 26 which take birth in each of its end portions 22 and end, parallel to each other, in the upper part 24.
- the channels 26 are then distant, some others, center to center, 0.5 mm.
- the device according to the invention comprises as many identical plates 18 as the tank tray 10 has rows, or 24 in the example described, the end portions 22 of each plate being intended to take place in one of the columns of the tray.
- the flexible plates 18 are assembled, at their upper part, parallel to each other, in a frame 28, to form a print head whose length corresponds substantially to the length L 2 of the receiving plate 16 and whose width, as already mentioned, corresponds substantially to its width I 2 .
- the plates could also have a length base corresponding to the length L1 of the tank plate 10.
- the tank plate 10 is closed, sealingly, by a cover 30 passed through, also so waterproof, by the flexible plates 18.
- the sealing on the periphery is provided by a bellows 32 whose role will appear below.
- FIG. 4 shows, on a larger scale, the how the flexible plates 18 and their channels 26 are made. appears that these plates are formed from two thin sheets of plastic 34 and 36, one of which, the top sheet 34 in the figure, was previously engraved, by any process well known to those skilled in the art, to draw the contour of the channels 26 and which are then assembled to each other by a rolling process, also well known to those skilled in the art.
- the sheets 34 and 36 have a thickness of 25 to 50 ⁇ m, while channels 26 have a depth of 70 to 50 ⁇ m and a width of 30 to 1000 .mu.m.
- the total volume of a channel is approximately 0.5 to 3 ⁇ L.
- the plates 18 comprise, fixed on their upper sheet 34, opposite each channel 26, a piezoelectric actuator 38 having the role of deforming the sheet at this location in order to reduce the thickness of the channel.
- the channel 26 opens to the outside of the sheet by a narrowing forming a beak 40, while, on the other side, the channel has a narrowing 42.
- the spout 40 and the shrinkage 42 have the same depth, from 10 to 40 ⁇ m, and the same width, from 40 to 90 ⁇ m. The dimensions of the shrinkage can even be lower than those of the beak.
- FIG. 5 shows that the actuator 38 is formed of a stack which comprises, starting from the sheet 34, a lower metal electrode 44, an insulation layer 46, a layer of piezoelectric material 48, a new insulation layer 50 and an upper metal electrode 52.
- the two electrodes are associated with electrical conductors 54 allowing the actuator control.
- the electrodes 44 and 52 are deposited by evaporation, while the insulation layers 46 and 50 are deposited by plasma and the piezoelectric layer 48 is deposited by vaporization using a magnetron.
- the assembly formed by the transfer plates 18 assembled is placed above the tank plate 10 whose cavities 12 contain the liquids 14 to be transferred to the receiving tray 16. Alignment is carried out so that after passing through the cover 30, each of the end portions 22 of the transfer plates 18 is located vertically in a cavity 12. When the ends of the plates are immersed in the liquid, it is sucked into the different channels 26 by capillarity.
- the receiving plate 16 can thus receive a network of micro-drops of liquid formed by the same number of rows and columns as the tray reservoir but, as already mentioned, on a greatly reduced scale.
- the micro-drops can have a volume from 20 pL to 1 nL.
- the channels 26 could be subjected to the effect of two identical actuators 38 arranged facing each other the outside of each of the sheets forming the flexible plates. Such a arrangement allows better control of the direction of ejection of the drops.
- the present description has been made with reference to a flexible plate formed of two sheets sealed together.
- the plate could be formed of three leaves, the central leaf of which would be pierced with openings through the channels.
Abstract
Description
La présente invention se rapporte à la réalisation de réseaux miniaturisés à haute densité d'échantillons de substances biologiques (oligonucléotides, DNA,...), souvent désignés "biochips", en vue de leur traitement.The present invention relates to the production of miniaturized networks with high density of samples of biological substances (oligonucleotides, DNA, ...), often called "biochips", for processing.
De tels réseaux sont des outils particulièrement utiles dans le domaine de la biologie moléculaire, ainsi que l'attestent, notamment, les publications "High-density oligonucleotides arrays" (A. P. Blanchard et Al. - Biosensors & Biolectronics, Vol. 11, N° 6/7, pp. 686-690, 1996) et "Array of hope" (E. S. Lander - Nature Genetics Supplement, Vol. 21, January 1999).Such networks are particularly useful tools in the field of molecular biology, as evidenced in particular by the publications "High-density oligonucleotides arrays "(A. P. Blanchard et Al. - Biosensors & Biolectronics, Vol. 11, N ° 6/7, pp. 686-690, 1996) and "Array of hope" (E. S. Lander - Nature Genetics Supplement, Vol. 21, January 1999).
L'invention concerne, plus particulièrement, un dispensateur de fluide multi-canal permettant de prélever du liquide dans une pluralité de cavités ménagées sur un plateau réservoir puis d'en déposer un réseau de micro-gouttes sur un plateau récepteur de manière à constituer un "biochip".The invention relates, more particularly, to a multi-channel fluid dispenser for withdrawing liquid from a plurality of cavities formed on a reservoir tray and then deposit a network of micro-drops on a receiving tray so as to constitute a "biochip".
Le dispensateur selon l'invention est conçu pour répondre de façon optimale aux principales exigences suivantes:
- homogénéité du trajet du liquide entre les deux plateaux et volume mort minimum;
- possibilité d'utiliser des plateaux réservoirs et des plateaux récepteurs de différentes dimensions;
- absence de contamination du liquide traversant les canaux;
- homogénéité en volume des micro-gouttes.
- homogeneity of the path of the liquid between the two plates and minimum dead volume;
- possibility of using tank trays and receiving trays of different dimensions;
- absence of contamination of the liquid passing through the channels;
- homogeneity in volume of the micro-drops.
Pour atteindre cet objectif, le dispensateur selon l'invention comporte:
- une pluralité de canaux souples disposés en un faisceau convergent, dont les premières extrémités sont destinées à être plongées dans les cavités du plateau réservoir et dont les deuxièmes extrémités sont assemblées en un réseau miniaturisé,
- des moyens de remplissage des canaux, à partir de leurs premières extrémités, par le liquide contenu dans les cavités, et
- des moyens d'expulsion d'une goutte de liquide de la deuxième extrémité de chaque canal en direction du plateau récepteur.
- a plurality of flexible channels arranged in a convergent bundle, the first ends of which are intended to be immersed in the cavities of the reservoir plate and the second ends of which are assembled in a miniaturized network,
- means for filling the channels, from their first ends, with the liquid contained in the cavities, and
- means for expelling a drop of liquid from the second end of each channel towards the receiving plate.
De façon avantageuse, dispensateur selon l'invention présente encore caractéristiques suivantes:
- les canaux sont formés dans une pluralité de plaques souples de manière à converger de leurs premières extrémités vers leurs deuxièmes extrémités;
- les différentes plaques sont liées ensemble par leur partie qui comporte les deuxièmes extrémités des canaux;
- chaque plaque est formée de deux feuilles polymériques scellées ensemble, dont l'une, au moins, est dotée d'un réseau de rainures convergentes formant les canaux;
- le plateau réservoir est fermé, de façon étanche, par un couvercle que traversent les canaux et les moyens de remplissage sont agencés de manière à établir une surpression dans l'espace compris entre le couvercle et les cavités;
- les moyens de remplissage comportent un soufflet réunissant le couvercle et son plateau par leur périphérie;
- chaque canal comporte un premier rétrécissement situé à proximité de sa deuxième extrémité et un deuxième rétrécissement situé à cette extrémité et les moyens d'expulsion comportent un actionneur piézo-électrique disposé sur une paroi extérieure du canal, entre ses deux rétrécissements, et ayant pour rôle de la déformer à cet endroit de façon à réduire l'épaisseur du canal;
- les moyens d'expulsion comportent un deuxième actionneur piézo-électrique identique au premier et disposé en face de lui sur l'autre paroi extérieure du canal;
- l'actionneur piézo-électrique est formé d'un empilement qui comporte, en partant de la paroi extérieure du canal, une électrode métallique inférieure, une couche d'isolation, une couche de matériau piézo-électrique, une nouvelle couche d'isolation et une électrode métallique supérieure;
- chaque actionneur est commandé individuellement.
- the channels are formed in a plurality of flexible plates so as to converge from their first ends to their second ends;
- the various plates are linked together by their part which comprises the second ends of the channels;
- each plate is formed from two polymeric sheets sealed together, at least one of which is provided with a network of converging grooves forming the channels;
- the reservoir plate is closed, in a leaktight manner, by a cover through which the channels pass and the filling means are arranged so as to establish an overpressure in the space between the cover and the cavities;
- the filling means comprise a bellows joining the cover and its tray by their periphery;
- each channel has a first narrowing located near its second end and a second narrowing located at this end and the expulsion means comprise a piezoelectric actuator disposed on an outer wall of the channel, between its two narrowing, and having the role to deform it there so as to reduce the thickness of the channel;
- the expulsion means comprise a second piezoelectric actuator identical to the first and disposed opposite it on the other outer wall of the channel;
- the piezoelectric actuator is formed of a stack which comprises, starting from the outer wall of the channel, a lower metal electrode, an insulation layer, a layer of piezoelectric material, a new insulation layer and an upper metal electrode;
- each actuator is controlled individually.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, sur lequel:
- les figures 1 et 2 représentent, respectivement vu de face et de côté, un dispensateur selon l'invention,
- la figure 3 montre, disposés côte à côte, en respectant le rapport de leurs dimensions, un plateau réservoir et un plateau récepteur;
- la figure 4 est une vue en coupe d'un canal, et
- la figure 5 montre, en coupe, la structure de l'actionneur associé à chaque canal.
- FIGS. 1 and 2 represent, respectively seen from the front and from the side, a dispenser according to the invention,
- Figure 3 shows, arranged side by side, respecting the ratio of their dimensions, a reservoir plate and a receiver plate;
- FIG. 4 is a sectional view of a channel, and
- FIG. 5 shows, in section, the structure of the actuator associated with each channel.
Les figures 1 et 2 montrent en 10 un plateau réservoir, en verre ou plastique
rigide, doté d'une pluralité de cavités 12, disposées en matrice, dans chacune
desquelles est disposé un liquide biologique 14 dont des échantillons doivent
être déposés, sous forme de micro-gouttes, sur un plateau récepteur
miniaturisé 16, également en verre ou plastique rigide (nylon).Figures 1 and 2 show at 10 a tank tray, glass or plastic
rigid, provided with a plurality of
On notera immédiatement, en se référant à la figure 3 car, pour d'évidentes
raisons, cela n'apparaít pas sur les figures 1 et 2, que les deux plateaux ont
des dimensions très différentes. Typiquement, le plateau réservoir 10 a une
surface d'environ 100 cm2 (12.5 cm x 8.5 cm) et possède 384 cavités 12,
ayant un volume d'environ 10 µl, disposées en une matrice de 16 colonnes de
24 rangées et distantes les unes des autres, centre à centre, d'environ
4.5 mm. Par contre, le plateau récepteur 16 ne possède pas de cavités et a
une surface d'environ seulement 1 cm2 (1.2 cm x 0.8 cm).It will be noted immediately, with reference to Figure 3 because, for obvious reasons, this does not appear in Figures 1 and 2, that the two plates have very different dimensions. Typically, the
Pour prélever du liquide contenu dans les cavités 12 et en projeter un réseau
de micro-gouttes sur le plateau récepteur 16, le dispositif selon l'invention
comporte une pluralité de plaques de transfert souples 18 assemblées entre
elles. Ces plaques sont réalisées en polyimide, par exemple et ont une
épaisseur de l'ordre de 50 à 150 µm. To take liquid from the
Chaque plaque 18 comporte une partie inférieure en forme de trapèze isocèle
20, formant une interface fluidique, dont la grande base a sensiblement la
même longueur que la largeur I1 du plateau réservoir 10 et est crénelée de
manière à se terminer par autant de portions d'extrémités 22 que le plateau
réservoir comporte de colonnes de cavités 12, soit 16 dans l'exemple décrit.
Les créneaux sont dimensionnés de manière à ce que les portions 22
puissent pénétrer dans les cavités 12.Each
L'interface fluidique 20 en forme de trapèze est prolongée, à partir de sa petite
base, par une partie rectangulaire 24 dont la longueur correspond
sensiblement à la largeur I2 du plateau récepteur 16.The trapezoid-
Chaque plaque souple 18 est dotée d'un faisceau de canaux 26 qui prennent
naissance dans chacune de ses portions d'extrémités 22 et se terminent,
parallèlement les uns aux autres, dans la partie supérieure 24. Typiquement,
dans l'exemple de réalisation décrit, les canaux 26 sont alors distants, les uns
des autres, centre à centre, de 0.5 mm.Each
Le dispositif selon l'invention comporte autant de plaques identiques 18 que le
plateau réservoir 10 comporte de rangées, soit 24 dans l'exemple décrit, les
portions d'extrémités 22 de chaque plaque étant destinées à prendre place
dans l'une des colonnes du plateau.The device according to the invention comprises as many
Les plaques souples 18 sont rassemblées, à leur partie supérieure,
parallèlement les unes aux autres, dans un cadre 28, pour former une tête
d'impression dont la longueur correspond sensiblement à la longueur L2 du
plateau récepteur 16 et dont la largeur, comme déjà mentionné, correspond
sensiblement à sa largeur I2.The
Il va de soi que les plaques pourraient aussi avoir une base de longueur
correspondant à la longueur L1 du plateau réservoir 10.It goes without saying that the plates could also have a length base
corresponding to the length L1 of the
Ainsi que le montrent les figures 1 et 2, le plateau réservoir 10 est fermé, de
manière étanche, par un couvercle 30 traversé, également de manière
étanche, par les plaques souples 18. L'étanchéité sur la périphérie est
assurée par un soufflet 32 dont le rôle apparaítra plus loin. As shown in Figures 1 and 2, the
On se référera maintenant à la figure 4 qui montre, à plus grande échelle, la
façon dont sont réalisées les plaques souples 18 et leurs canaux 26. Il
apparaít que ces plaques sont formées de deux minces feuilles de plastique
34 et 36 dont l'une, la feuille supérieure 34 sur la figure, a été préalablement
gravée, par tout procédé bien connu de l'homme de métier, pour dessiner le
contour des canaux 26 et qui sont ensuite assemblées l'une à l'autre par un
procédé de laminage, également bien connu de l'homme de métier.We will now refer to Figure 4 which shows, on a larger scale, the
how the
Typiquement, les feuilles 34 et 36 ont une épaisseur de 25 à 50 µm, alors que
les canaux 26 ont une profondeur de 70 à 50 µm et une largeur de 30 à 1000
µm. Le volume total d'un canal est d'environ 0.5 à 3 µL.Typically, the
Dans leur partie rectangulaire 24, les plaques 18 comportent, fixé sur leur
feuille supérieure 34, en face de chaque canal 26, un actionneur piézo-électrique
38 ayant pour rôle de déformer la feuille à cet endroit afin de
réduire l'épaisseur du canal.In their
Au-dessus de l'actionneur 38, le canal 26 débouche à l'extérieur de la feuille
par un rétrécissement formant bec 40, tandis que, de l'autre côté, le canal
présente un rétrécissement 42. Dans l'exemple décrit, le bec 40 et le
rétrécissement 42 ont la même profondeur, de 10 à 40 µm, et la même
largeur, de 40 à 90 µm. Les dimensions du rétrécissement peuvent même être
inférieures à celles du bec.Above the
La figure 5 montre que l'actionneur 38 est formé d'un empilement qui
comporte, en partant de la feuille 34, une électrode métallique inférieure 44,
une couche d'isolation 46, une couche de matériau piézo-électrique 48, une
nouvelle couche d'isolation 50 et une électrode métallique supérieure 52. Les
deux électrodes sont associées à des conducteurs électriques 54 permettant
la commande de l'actionneur.FIG. 5 shows that the
Les électrodes 44 et 52 sont déposées par évaporation, tandis que les
couches d'isolation 46 et 50 sont déposées par plasma et la couche piézo-électrique
48 est déposée par vaporisation à l'aide d'un magnétron. The
Comme représenté sur la figure 1, les conducteurs électriques d'alimentation
des différents actionneurs 38 aboutissent à un circuit de commande 56 qui,
sous les ordres d'un ordinateur 58, assure leur excitation.As shown in Figure 1, the electrical supply conductors
En fonctionnement, l'ensemble formé par les plaques de transfert 18
assemblées est placé au-dessus du plateau réservoir 10 dont les cavités 12
contiennent les liquides 14 à transférer sur le plateau récepteur 16.
L'alignement est réalisé de manière à ce qu'après avoir traversé le couvercle
30, chacune des portions d'extrémités 22 des plaques de transfert 18 se
trouve à la verticale d'une cavité 12. Lorsque les extrémités des plaques sont
immergées dans le liquide, celui-ci est aspiré dans les différents canaux 26
par capillarité.In operation, the assembly formed by the
Il est nécessaire ensuite d'appuyer sur le couvercle 30 pour comprimer le
soufflet 32 afin d'établir dans l'enceinte une surpression de quelques millibars,
dont la valeur est lue sur un manomètre 60. Du fait de cette surpression, le
liquide continue sa montée dans les canaux 26, traverse les rétrécissements
42 et se trouve stoppé au niveau des becs 40 par l'effet de tension de surface.It is then necessary to press the
Pour éjecter le liquide en direction du plateau récepteur 16, il suffit alors de
donner l'ordre à l'ordinateur 58 d'appliquer aux bornes des électrodes 44 et 52
de chaque actionneur 38 une impulsion électrique qui provoque un
rétrécissement du canal 26 correspondant. Une partie du liquide qui s'y
trouve, empêchée de revenir en arrière par le rétrécissement 42, est ainsi
éjectée par le bec 40 et projetée sur le plateau récepteur 16, à un endroit bien
déterminé.To eject the liquid towards the receiving
Le plateau récepteur 16 peut ainsi recevoir un réseau de micro-gouttes de
liquide formé du même nombre de rangées et de colonnes que le plateau
réservoir mais, comme déjà mentionné, à une échelle fortement réduite.
Typiquement, dans l'exemple décrit, les micro-gouttes peuvent avoir un
volume de 20 pL à 1 nL. The receiving
Les plaques 18 contenant un volume de liquide largement supérieur à celui
des micro-gouttes éjectées, plusieurs plateaux récepteurs 16 peuvent être
ensuite utilisés à la suite les uns des autres.The
Dans une variante de réalisation non représentée, les canaux 26 pourraient
être soumis à l'effet de deux actionneurs identiques 38 disposés face à face à
l'extérieur de chacune des feuilles formant les plaques souples. Une telle
disposition permet de mieux maítriser la direction d'éjection des gouttes.In an alternative embodiment not shown, the
La présente description a été faite en se référant à une plaque souple formée de deux feuilles scellées ensemble. En variante, la plaque pourrait être formée de trois feuilles, dont la feuille centrale serait percée d'ouvertures traversantes formant les canaux.The present description has been made with reference to a flexible plate formed of two sheets sealed together. Alternatively, the plate could be formed of three leaves, the central leaf of which would be pierced with openings through the channels.
Ainsi est réalisé un dispensateur de liquide qui présente les principaux avantages suivants:
- du fait que la tête d'impression 24 et l'interface fluidique 20 sont
réunies une seule pièce, les
plaques 18, le trajet du liquide est parfaitement homogène et il ne subsiste qu'un volume mort minimum ; - du fait que les
plaques 18 sont souples, l'adaptation à des plateaux réservoirs 10 et des plateaux récepteurs 16 de différentes dimensions est facilitée; - du fait que les plaques souple 18 sont formées de deux feuilles polymériques assemblées par laminage et non collées, toute contamination par la colle des liquides traversant les canaux est éliminée;
- du fait que chaque
canal 26 peut être commandé individuellement par une impulsion qui éjecte une seule micro-goutte, l'homogénéité en volume des micro-gouttes peut être assurée.
- owing to the fact that the
print head 24 and thefluid interface 20 are united in one piece, theplates 18, the path of the liquid is perfectly homogeneous and only a minimum dead volume remains; - because the
plates 18 are flexible, adaptation toreservoir plates 10 and receivingplates 16 of different dimensions is facilitated; - because the
flexible plates 18 are formed from two polymeric sheets assembled by rolling and not glued, any contamination by the adhesive of the liquids passing through the channels is eliminated; - since each
channel 26 can be individually controlled by a pulse which ejects a single micro-drop, the volume homogeneity of the micro-drops can be ensured.
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