Moyens d’améliorer la précision du contrôle microfluidique

par Troy Stehr

21 août 2023

15h00

Troy Stehr, responsable des comptes industriels pour les applications de laboratoire et de technologie médicale chez le spécialiste du contrôle des fluides Bürkert, discute des exigences d'un contrôle microfluidique précis.

Les réactifs font partie intégrante de la recherche en sciences de la vie, et le résultat de leur réaction chimique avec d'autres substances, en mesurant, en détectant ou en examinant un résultat, est essentiel pour le développement de traitements médicaux. Un contrôle précis et reproductible du dosage des réactifs, dans des volumes microfluidiques allant jusqu'à 1 µl et moins, est essentiel à ce processus. Ces mêmes exigences s'appliquent à la génomique, comme la réalisation d'une technique de réaction en chaîne par polymérase (PCR) pour amplifier certains segments d'ADN. Un dosage microfluidique précis et fiable peut également dépendre de la vie pour de nombreuses applications médicales.

Aujourd’hui, les machines peuvent remplacer la manipulation manuelle des pipettes par un dosage plus précis et plus cohérent. L'automatisation fait non seulement gagner du temps aux humains qualifiés, mais le dosage rapide de plusieurs canaux améliore également la productivité. Pour obtenir ces résultats, on s'appuie fortement sur le système de contrôle des vannes d'une machine de dosage.

Boucle ouverte ou fermée ?

Comprendre la précision de dosage requise est généralement le point de départ de la spécification du système de vannes. Les patients sont traités ou diagnostiqués sur la base des résultats de laboratoire, de sorte que l'exigence de précision de l'évaluation prévue détermine la précision de dosage que la machine doit fournir. L’optimisation du volume d’utilisation est également importante pour contrôler les coûts, tant dans l’utilisation que dans l’élimination de certains réactifs et substances impliquées très coûteux.

Suffisant pour de nombreuses applications microfluidiques, le dosage temps-pression offre une précision <1 % avec une précision volumétrique répétable comprise entre 2 et 5 %. Avec cette technique, le débit du fluide est contrôlé par l'ouverture ou la fermeture de la vanne pendant une durée définie pour chaque cycle de commutation. Utilisant de l'air ou un gaz inerte pour pressuriser le réservoir de fluide, combiné à une vanne de dosage, cette technique permet un dosage contrôlé jusqu'à des volumes de µl (microlitres) à un chiffre.

Les microvannes de Bürkert pour le dosage en pression temporelle sont capables d'effectuer des pas de signal de contrôle d'environ 10 μs (microseconde) pour un contrôle de vanne de haute précision inférieur à 1 %. Si une précision encore plus grande est requise, Bürkert propose également un contrôle de vanne en boucle fermée. Ces systèmes intègrent un capteur, fournissant des informations sur l'état réel de la vanne, permettant ainsi un ajustement constant des taux d'ouverture/fermeture de la vanne. Alternativement, un système en boucle ouverte, comme le dosage temps-pression, fonctionne uniquement sur la commande d'entrée de la vanne, quels que soient les changements qui pourraient avoir un impact sur son temps de commutation et, par conséquent, sur le volume de dosage réel.

Précision du dosage µl et nl

Les systèmes en boucle fermée fonctionnent souvent selon le principe de Coriolis, où les vibrations d'un tube transportant un liquide sont mesurées avec une sortie proportionnelle au débit. Grâce à cette technologie, le contrôleur/compteur de débit massique de Bürkert peut atteindre une précision de dosage à des niveaux inférieurs à 1 ml. Cependant, une nouvelle innovation est sur le point de devenir le premier appareil disponible sur le marché avec une mesure en µl (microlitre) et une précision de contrôle en boucle fermée, avec un capteur de pression différentielle intégré dans un appareil avec une vanne. Le nouveau système de dosage de Bürkert mesure et contrôle des chutes jusqu'à 50 nl (nanolitres), avec une précision proche de 1 % mesurée sur des millions de cycles effectués jusqu'à présent lors des essais.

La compatibilité entre le fluide et le matériau, le bloc fluide et les joints, est cruciale pour le contrôle dans le temps, en particulier lorsque plusieurs réactifs et substances sont impliqués. En fonction des propriétés du fluide, différents matériaux d'étanchéité peuvent être nécessaires et leur sélection nécessite un examen attentif. Les problèmes de compatibilité peuvent entraîner un gonflement des joints, voire une rupture au fil du temps, et lorsqu'il s'agit de microfluidique, les problèmes de contrôle qui en résultent sont amplifiés. Dans le système Bürkert, le PEEK, utilisé pour les corps de vannes, et le matériau d'étanchéité FFKM ou EPDM sont les seuls matériaux en contact avec le produit.