Laboratoire sur puce

Un laboratoire sur puce est un système intégré rassemblant, sur un substrat miniaturisé, une ou plusieurs fonctions de laboratoire.

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Nanotechnologie - Micro-électronique - Chimie analytique - Biologie moléculaire

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Un laboratoire sur puce est un système intégré rassemblant, sur un substrat miniaturisé, une ou plusieurs fonctions de laboratoire.

Historique et définitions

L'analyse du vivant regroupe trois des quatre raisons majeures ayant entraîné le développement de la microfluidique ; elle représente donc une large part des applications. On considère le plus souvent que le premier système microfluidique d'analyse est celui développé par Terry et al.  ; ceux-ci réalisent en 1979 un dispositif miniaturisé d'analyse de gaz par chromatographie sur un substrat de silicium[1]. Ils diminuent les dimensions du système de trois ordres de grandeur, tout en intégrant une colonne de séparation d'1, 5 m de long, capable de séparer des mélanges gazeux hydrocarbonés en moins de dix secondes. Ce travail est tellement novateur qu'il faut attendre dix ans pour voir émerger des travaux analogues et la rationalisation du concept : Manz et al. proposent en 1990 la notion de «systèmes miniaturisés d'analyse chimique totale» (miniaturized total chemical analysis systems) , plus tard abrégé en «microTAS » (micro total analysis systems, microsystèmes d'analyse totale) [2]. Ce terme regroupe les dispositifs miniaturisés, possédant le plus souvent une dimension micrométrique, qui intègrent la séquence complète d'analyse d'un échantillon brut jusqu'à la lecture du résultat. Le concept de «laboratoire sur puce» (lab-on-a-chip, LOC), plus général, émerge plus tard, lorsqu'il s'avère que les technologies de microTAS ont d'autres applications que la chimie analytique. La notion de laboratoire sur puce est moins restrictive que celle de microTAS : un laboratoire sur puce ne contient pas obligatoirement l'intégralité de la chaîne d'analyse, tandis que c'est la définition d'un microTAS ; les laboratoires sur puce de synthèse chimique ne sont par exemple pas des microTAS[3]. On peut définir un laboratoire sur puce comme un système intégré rassemblant, sur un substrat miniaturisé, une ou plusieurs fonctions de laboratoire.

Débuts

Les premiers travaux des années 1990 consistent en la miniaturisation de systèmes d'analyse chimique. Manz et al. utilisent des techniques de photolithographie, d'oxydation et de gravure chimique pour réaliser des puces d'électrophorèse capillaire sur silicium[4]. L'application de plus fortes tensions électriques, indispensable pour rendre l'analyse plus rapide et performante, incite rapidement à se tourner vers le verre. Harrison et al. développent ce concept en réalisant, sur une puce en verre, un dispositif intégré d'électrophorèse capillaire, comprenant des pompes électro-osmotiques[5], [6]. Ces travaux novateurs démontrent à l'époque les potentialités des dispositifs d'analyse miniaturisés ; de nombreuses équipes de recherche décident alors de développer de tels systèmes, entraînant de nombreuses avancées technologiques[7].

Développement récent

Les travaux sur les laboratoires sur puce et les microTAS trouvent rapidement leur place. Des journaux comme Electrophoresis ou Anal. Chem. les accueillent à bras ouverts. La conférence internationale annuelle microTAS (International conference on miniaturized systems for chemistry and life sciences) existe depuis 1994[8] ; le journal Lab on a Chip, publié par RSC Publishing, est créé en 2001. Les travaux récents dans le domaine des laboratoires sur puce et des microsystèmes d'analyse totale font régulièrement l'objet de revues de la littérature[9], [10], [11].

Applications

La chimie analytique et la biologie moléculaire participent fortement au développement de la microfluidique et des laboratoires sur puce ; la majorité des applications relève par conséquent de ces domaines. En 2002, Auroux et al. en proposent une revue assez complète, surtout concernant les opérations standard d'analyse chimique[12]. Des laboratoires sur puce sont aujourd'hui développés pour l'étude de la majorité des molécules et macromolécules biologiques : ADN[13], [14], protéines et peptides[15], [16], cellules[17], [18], anticorps et antigènes[19], [20] et sucres[21], [22]. Les applications visées en recherche et développement sont le diagnostic clinique (grippe aviaire[23], cancer[24]), surtout en «point de service», et la recherche pharmaceutique[25] : les techniques miniaturisées permettent de réaliser des criblages parallélisés haut débit pour la découverte de médicament. Les techniques de surveillance biomédicale en point de service sont aussi généralisées à la sécurité sanitaire des aliments et l'analyse chimique environnementale, pour contrôler la qualité de la nourriture ou la pollution des cours d'eau[26]. D'autre part, une part non négligeable des financements de recherche sur les laboratoires sur puce provient des fonds alloués à la lutte contre le bioterrorisme ; on voit par exemple apparaître des systèmes de détection du gaz sarin dans le sang[27]. Les Sandia National Laboratories jouent un rôle important dans le domaine de la biodéfense. Pour finir, les laboratoires sur puce ne sont pas limités à l'analyse biologique ; ils peuvent aussi servir de réacteurs chimiques. Les dimensions réduites des dispositifs microfluidiques permettent en effet un meilleur contrôle et une meilleure détection des réactions chimiques, surtout du mélange de réactifs[3], [28].

Protéomique

La recherche protéomique est un domaine de recherche post-génomique particulièrement actif ; de nombreux travaux menés en microfluidique et sur les laboratoires sur puce sont liés à l'analyse des protéines et de leurs fonctions[16], [29], [30], [31]. La miniaturisation de l'analyse protéomique est motivée par le gain de performance du «triangle analytique»[32]. Freire et al. identifient quatre fonctions majeures indispensables à la protéomique sur puce : le traitement chimique, la préconcentration et le nettoyage, les séparations chimiques et les interfaces avec la spectrométrie de masse (pour analyse) [33]. Ils rappellent l'importance (et la difficulté) de développer les différents modules et de les intégrer sur un même support. Les opérations typiques réalisées sur puce sont la séparation rapide et l'analyse de digests de protéines[34] ; des résultats particulièrement encourageants sont obtenus, surtout par Li et al.  : cette équipe a développé une réelle plate-forme protéomique d'analyse SPE-CE-MS[Note 1] de digests de protéines ; la plate-forme, équipée d'une dispense d'échantillons automatisée, est capable de traiter douze échantillons par heure[35].

Voir aussi

Notes

  1. Solid-phase extraction, capillary electrophoresis and mass spectrometry : extraction en phase solide, séparation en électrophorèse capillaire et analyse par spectrométrie de masse.

Références

  1. (en) S. C. Terry, J. H. Jerman & J. B. Angell, «A gas chromatographic air analyzer fabricated on a silicon wafer», dans IEEE Transactions on Electron Devices , vol.  26, no 12, déc. 1979, p.  1880–1886 [ texte intégral ] 
  2. (en) A. Manz, N. Graber & H. M. Widmer, «Miniaturized total chemical analysis systems : A novel concept for chemical sensing», dans Sens. Actuator B-Chem. , vol.  1, no 1–6, jan. 1990, p.  244–248 [ lien DOI ] 
  3. (en) A. J. DeMello, «Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems», dans Nature, vol.  442, no 7101, juil. 2006, p.  394–402 [ lien DOI ] 
  4. (en) A. Manz, D. J. Harrison, E. M. J. Verpoorte, J. C. Fettinger, A. Paulus, H. Lüdi & H. M. Widmer, «Planar chips technology for miniaturization and integration of separation techniques into monitoring systems – capillary electrophoresis on a chip», dans J. Chromatogr. A, vol.  593, no 1-2, fév. 1992, p.  253–258 [ lien DOI ] 
  5. (en) D. J. Harrison, A. Manz, Z. Fan, H. Lüdi & H. M. Widmer, «Capillary electrophoresis and sample injection systems integrated on a planar glass chip», dans Anal. Chem. , vol.  64, no 17, 1992, p.  1926–1932 [ lien DOI ] 
  6. (en) D. J. Harrison, K. Fluri, K. Seiler, Z. Fan, C. S. Effenhauser & A. Manz, «Micromachining a miniaturized capillary electrophoresis-based chemical analysis system on a chip», dans Science, vol.  261, no 5123, août 1993, p.  895–897 [ lien DOI ] 
  7. (en) M. U. Kopp, H. J. Crabtree & A. Manz, «Developments in technology and applications of microsystems», dans Current Opinion in Chemical Biology , vol.  1, no 3, oct. 1997, p.  410–419 [ lien DOI ] 
  8. (en) A. van den Berg & P. Bergveld, «Labs-on-a-chip : origin, highlights and future perspectives. on the occasion of the 10th µTAS conference», dans Lab on a Chip, vol.  6, no 10, oct. 2006, p.  1266–1273 [ lien DOI ] 
  9. (en) D. R. Reyes, D. Iossifidis, P. -A. Auroux & A. Manz, «Micro total analysis systems. 1. Introduction, theory, and technology», dans Anal. Chem. , vol.  74, no 12, 2002, p.  2623–2636 [ lien DOI ] 
  10. (en) P. S. Dittrich, K. Tachikawa & A. Manz, «Micro total analysis systems. latest advancements and trends», dans Anal. Chem. , vol.  78, no 12, juin 2006, p.  3887–3908 [ lien DOI ] 
  11. (en) J. West , M. Becker, S. Tombrink & A. Manz, «Micro total analysis systems : Latest achievements», dans Anal. Chem. , vol.  80, no 12, mai 2008, p.  4403–4419 [ lien DOI ] 
  12. (en) P. -A. Auroux, D. Iossifidis, D. R. Reyes & A. Manz, «Micro total analysis systems. 2. Analytical standard operations and applications», dans Anal. Chem. , vol.  74, no 12, juin 2002, p.  2637–2652 [ lien DOI ] 
  13. (en) Y. Sun & Y. C. Kwok, «Polymeric microfluidic system for DNA analysis», dans Anal. Chim. Acta, vol.  556, no 1, janv. 2006, p.  80–96 [ lien DOI ] 
  14. (en) J. O. Tegenfeldt, C. Prinz, H. Cao, R. L. Huang, R. H. Austin, S. Y. Chou, E. C. Cox & J. C. Sturm, «Micro- and nanofluidics for DNA analysis», dans Anal. Bioanal. Chem. , vol.  378, no 7, avr. 2004, p.  1678–1692 [ lien DOI ] 
  15. (en) D. Figeys & D. Pinto, «Proteomics on a chip : Promising developments», dans Electrophoresis, vol.  22, no 2, janv. 2001, p.  208–216 [ lien DOI ] 
  16. (en) N. Lion, T. C. Rohner, L. Dayon, I. L. Arnaud, E. Damoc, N. Youhnovski, Z. -Y. Wu, Ch. Roussel, J. Josserand, H. Jensen, J. S. Rossier, M. Przybylski & H. H. Girault, «Microfluidic systems in proteomics», dans Electrophoresis, vol.  24, no 21, 2003, p.  3533–3562 [ lien DOI ] 
  17. (en) J. El-Ali, P. K. Sorger & K. F. Jensen, «Cells on chips», dans Nature, vol.  442, no 7101, juil. 2006, p.  403–411 [ lien DOI ] 
  18. (en) Y. Tanaka, K. Sato, T. Shimizu, M. Yamato, T. Okano & T. Kitamori, «Biological cells on microchips : new technologies and applications», dans Biosens. Biœlectron. , vol.  23, no 4, nov. 2007, p.  449–458 [ lien DOI ] 
  19. (en) A. Hatch, A. E. Kamholz, K. R. Hawkins, M. S. Munson, E. A. Schilling, B. H. Weigl & P. Yager, «A rapid diffusion immunoassay in a T-sensor», dans Nat. Biotechnol. , vol.  19, no 5, mai 2001, p.  461–465 [ lien DOI ] 
  20. (en) C. T. Lim & Y. Zhang, «Bead-based microfluidic immunoassays : the next generation», dans Biosens. Biœlectron. , vol.  22, no 7, fév. 2007, p.  1197–1204 [ lien DOI ] 
  21. (en) S. Suzuki & S. Honda, «Miniaturization in carbohydrate analysis», dans Electrophoresis, vol.  24, no 21, nov. 2003, p.  3577–3582 [ lien DOI ] 
  22. (en) A. D. Zamfir, L. Bindila, N. Lion, M. Allen, H. H. Girault & J. Peter-Katalinić, «Chip electrospray mass spectrometry for carbohydrate analysis», dans Electrophoresis, vol.  26, no 19, oct. 2005, p.  3650–3673 [ lien DOI ] 
  23. (en) B. Charlton, B. Crossley & S. Hietala, «Conventional and future diagnostics for avian influenza», dans Comparative Immunology, Microbiology & Infectious Diseases , avr. 2008 [ lien DOI ] 
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  30. (en) J. Astorga-Wells, S. Vollmer, S. Tryggvason, T. Bergman & H. Jörnvall, «Microfluidic electrocapture for separation of peptides», dans Anal. Chem. , vol.  77, no 22, 2005, p.  7131–7136 [ lien DOI ] 
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  32. (en) N. Lion, F. Reymond, H. H. Girault & J. S. Rossier, «Why the move to microfluidics for protein analysis?», dans Current Opinion in Biotechnology , vol.  15, no 1, fév. 2004, p.  31–37 [ lien DOI ] 
  33. (en) S. L. S. Freire & A. R. Wheeler, «Proteome-on-a-chip : mirage, or on the horizon?», dans Lab on a Chip, vol.  6, no 11, nov. 2006, p.  1415–1423 [ lien DOI ] 
  34. (en) J. D. Ramsey, S. C. Jacobson, C. T. Culbertson & J. M. Ramsey, «High-efficiency, two-dimensional separations of protein digests on microfluidic devices», dans Anal. Chem. , vol.  75, no 15, juin 2003, p.  3758–3764 [ lien DOI ] 
  35. (en) J. Li, T. LeRiche, T. -L. Tremblay, C. Wang, E. Bonneil, D. J. Harrison & P. Thibault, «Application of microfluidic devices to proteomics research : Identification of trace-level protein digests and affinity capture of target peptides», dans Molecular & Cellular Proteomics , vol.  1, no 2, janv. 2002, p.  157–168 [ lien DOI ] 

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