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FR2747786A1 - INTEGRATED DEVICE FOR OPTICAL MOLECULAR DETECTION AND METHOD FOR SAME - Google Patents

INTEGRATED DEVICE FOR OPTICAL MOLECULAR DETECTION AND METHOD FOR SAME Download PDF

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FR2747786A1
FR2747786A1 FR9704608A FR9704608A FR2747786A1 FR 2747786 A1 FR2747786 A1 FR 2747786A1 FR 9704608 A FR9704608 A FR 9704608A FR 9704608 A FR9704608 A FR 9704608A FR 2747786 A1 FR2747786 A1 FR 2747786A1
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FR
France
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substrate
integrated
optical
binding site
molecular
Prior art date
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Application number
FR9704608A
Other languages
French (fr)
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FR2747786B1 (en
Inventor
Donald E Ackley
Chan Long Shieh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Motorola Solutions Inc
Original Assignee
Motorola Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Motorola Inc filed Critical Motorola Inc
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Publication of FR2747786B1 publication Critical patent/FR2747786B1/en
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • GPHYSICS
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
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Abstract

A substrate (12) defines a binding site (14) for receiving a molecular receptor (16). A light source (18) and an optical detector (20) are incorporated in the substrate (12). The light source (18) illuminates the binding site (14) through the substrate (12) to produce an optical indication of a molecule (19) hybridized to the molecular receptor (16). The optical detector (20) detects the optical indication through the substrate (12). Preferably, the substrate (12) defines a first side on which the binding site is defined, and a second side opposite the first side on which the light source and the optical detector are integrated. A transparent electrode can be included at the binding site for field-assisted hybridization and de-hybridization.

Description

Titre
DISPOSITIF INTEGRE POUR LA DETECTION MOLECULAIRE OPTIQUE
ET PROCEDE DE CETTE DETECTION
Domaine de l'invention
La présente invention concerne des dispositifs intégrés pour la détection moléculaire optiques et des procédés de cette détection.
Headline
INTEGRATED DEVICE FOR OPTICAL MOLECULAR DETECTION
AND METHOD FOR THIS DETECTION
Field of the invention
The present invention relates to integrated devices for optical molecular detection and methods of such detection.

Arrière-plan technologique
Récemment, un effort accru a été consenti pour développer des puces pour la détection moléculaire. En général, une puce de détection moléculaire comprend un substrat sur lequel est disposé un arrangement de sites de liaison. Chaque site de liaison (ou site d'hybridation) comporte un récepteur moléculaire respectif qui se lie à, ou s'hybride avec, une molécule de structure prédéterminée. Une solution échantillon est déposée sur la puce de détection, et les molécules contenues dans l'échantillon se lient à ou s'hybrident avec un ou plusieurs des sites de liaison. Les sites de liaison particuliers auxquels se produit l'hybridation sont détectés, et la présence d'une ou de plusieurs structures moléculaires dans l'échantillon est subséquemment déduite.
Technological background
Recently, an increased effort has been made to develop microarrays for molecular detection. In general, a molecular detection chip includes a substrate on which is arranged an arrangement of binding sites. Each binding site (or hybridization site) has a respective molecular receptor which binds to, or hybridizes with, a molecule of predetermined structure. A sample solution is deposited on the detection chip, and the molecules contained in the sample bind to or hybridize with one or more of the binding sites. The particular binding sites at which hybridization occurs are detected, and the presence of one or more molecular structures in the sample is subsequently deduced.

Les puces de détection moléculaire présentent un grand intérêt pour la mise en séquence de gènes. Ces puces, souvent appelées puces à ADN, utilisent à un groupement de sites de liaison présentant chacun des éprouvettes d'ADN à un seul brin respectives. Un échantillon de fragments d'ADN à un seul brin, dénommé
ADN cible, est déposé sur la puce à ADN. Les fragments d'ADN se fixent sur une ou plusieurs des éprouvettes d'ADN selon un processus d'hybridation. Il est possible de déterminer une séquence de bases de nucléotides dans le fragment d'ADN en détectant les éprouvettes d'ADN avec lesquelles s'est hybridé un fragment d'ADN.
Molecular detection chips are of great interest for gene sequencing. These chips, often called DNA chips, use a grouping of binding sites each presenting respective single-stranded DNA test tubes. A sample of single-stranded DNA fragments called
Target DNA, is deposited on the DNA chip. The DNA fragments attach to one or more of the DNA test pieces in a hybridization process. It is possible to determine a nucleotide base sequence in the DNA fragment by detecting the DNA test tubes with which a DNA fragment has hybridized.

Pour accélérer le processus d'hybridation, une concentration locale d'ADN cible peut être augmentée en des sites prédéterminés au moyen d'un champ électrique. To accelerate the hybridization process, a local concentration of target DNA can be increased at predetermined sites by means of an electric field.

Dans ce cas, chaque site est associé à une électrode destinée à générer de manière sélective un champ électrique à proximité de celui-ci. Le champ électrique est généré en appliquant un potentiel électrique entre une électrode située au niveau du site et une contreélectrode située dans une partie périphérique de la puce.In this case, each site is associated with an electrode intended to selectively generate an electric field close to it. The electric field is generated by applying an electric potential between an electrode located at the site and a counterelectrode located in a peripheral part of the chip.

Pour attirer les fragments d'ADN vers le site, la polarité du potentiel électrique est choisie de manière à générer un champ électrique présentant une polarité opposée à la charge des fragments d'ADN. Pour déshybrider le site, un champ électrique présentant la même polarité que les fragments d'ADN peut être généré afin d'éloigner les fragments d'ADN du site.To attract the DNA fragments to the site, the polarity of the electric potential is chosen so as to generate an electric field having a polarity opposite to the charge of the DNA fragments. To dehybridize the site, an electric field having the same polarity as the DNA fragments can be generated in order to move the DNA fragments away from the site.

Différentes approches ont été utilisées pour détecter un phénomène d'hybridation au niveau d'un site de liaison. Dans l'une de ces approches, un marqueur radioactif est fixé à chaque molécule d'une pluralité de molécules dans l'échantillon. La liaison d'une molécule à un récepteur moléculaire peut ensuite être détectée en détectant le marqueur radioactif. Different approaches have been used to detect a hybridization phenomenon at a binding site. In one of these approaches, a radioactive label is attached to each molecule of a plurality of molecules in the sample. The binding of a molecule to a molecular receptor can then be detected by detecting the radioactive marker.

D'autres approches de la détection utilisent des marqueurs fluorescents, tels que des fluorogènes qui produisent de la lumière de manière sélective lorsque l'hybridation se produit. Ces fluorogènes sont éclairés par une source absorbant la lumière, externe au substrat. Other approaches to detection use fluorescent labels, such as fluorogens, which selectively produce light when hybridization occurs. These fluorogens are lit by a light absorbing source, external to the substrate.

Une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) externe est utilisée pour détecter la fluorescence éclairés.An external charge coupled device (CCD) camera is used to detect the illuminated fluorescence.

Une puce à ADN pour la détection optique est décrite dans "Real-time detection of DNA hybridization and melting on oligonucleotide arrays by using optical wave guides" [Détection en temps réel de l'hybridation et de la fusion d'ADN sur des groupements d'oligonucléotides au moyen de guides d'ondes lumineuses], Proceedings of the National Academy of Sciences, VOL. 92, pp. 6379-6383. A DNA chip for optical detection is described in "Real-time detection of DNA hybridization and melting on oligonucleotide arrays by using optical wave guides" [Real-time detection of DNA hybridization and fusion on groups of 'oligonucleotides using light waveguides], Proceedings of the National Academy of Sciences, VOL. 92, pp. 6379-6383.

Cette puce à ADN utilise un substrat en verre dont une surface définit les sites de liaison. Le substrat en verre présente une extrémité adjacente à la surface dans laquelle la lumière est injectée au moyen d'une source lumineuse externe. Une caméra à CCD externe est utilisée pour détecter la lumière dispersée aux niveau des sites de liaison où se produit l'hybridation.This DNA chip uses a glass substrate, one surface of which defines the binding sites. The glass substrate has one end adjacent to the surface into which light is injected by means of an external light source. An external CCD camera is used to detect scattered light at the binding sites where hybridization occurs.

Brève description des dessins
L'invention est décrite de manière spécifique dans les revendications jointes. Toutefois, d'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement, et l'invention sera mieux comprise en se référant à la description détaillée ci-dessous, prise en conjonction avec les dessins joints, parmi lesquels:
La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un dispositif intégré de détection moléculaire selon la présente invention;
La figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un dispositif intégré de détection moléculaire selon la présente invention;
La figure 3 est un organigramme d'un mode de réalisation d'un procédé de détection de l'hybridation d'une molécule avec un récepteur moléculaire;
La figure 4 est une vue schématique en perspective d'un mode de réalisation préféré d'une puce intégrée de détection moléculaire selon la présente invention; et
La figure 5 est une vue schématique en coupe transversale du mode de réalisation préféré de la puce intégrée de détection moléculaire.
Brief description of the drawings
The invention is specifically described in the appended claims. However, other characteristics of the present invention will appear more clearly, and the invention will be better understood by referring to the detailed description below, taken in conjunction with the accompanying drawings, among which:
Figure 1 is a block diagram of an integrated molecular detection device according to the present invention;
Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an integrated molecular detection device according to the present invention;
Figure 3 is a flow diagram of an embodiment of a method for detecting hybridization of a molecule with a molecular receptor;
Figure 4 is a schematic perspective view of a preferred embodiment of an integrated molecular detection chip according to the present invention; and
Figure 5 is a schematic cross-sectional view of the preferred embodiment of the integrated molecular detection chip.

Description détaillée d'un mode de réalisation préféré
Les modes de réalisation de la présente invention fournissent avantageusement un dispositif intégré de détection moléculaire qui incorpore des sites de liaison, une source lumineuse, et les circuits électroniques de détection optique sur une seule puce. Un mode de réalisation préféré utilise un substrat en verre microusiné, une source lumineuse consistant en une diode électro-luminescente polymère et un transformateur d'image optique consistant en un transistor à couche mince permettant de produire une puce totalement intégrée. En incluant en outre des électrodes transparentes à proximité des sites de liaison, le dispositif permet d'améliorer l'hybridation et la déshybridation en utilisant un champ électrique. Les modes de réalisation de la présente invention peuvent être utilisés pour des applications dans la mise en séquence et la détection d'ADN.
Detailed description of a preferred embodiment
The embodiments of the present invention advantageously provide an integrated molecular detection device which incorporates binding sites, a light source, and the electronic optical detection circuits on a single chip. A preferred embodiment uses a microreproduced glass substrate, a light source consisting of a polymer light-emitting diode and an optical image transformer consisting of a thin film transistor for producing a fully integrated chip. By further including transparent electrodes near the bonding sites, the device improves hybridization and dehybridization using an electric field. The embodiments of the present invention can be used for applications in DNA sequencing and detection.

La figure 1 est un schéma fonctionnel d'un dispositif intégré de détection moléculaire 10 selon la présente invention. Le dispositif intégré de détection moléculaire 10 comporte un substrat 12 qui définit un site de liaison 14 destiné à recevoir un récepteur moléculaire 16. En général, le récepteur moléculaire 16 est choisi en fonction du type de molécule qui doit être détecté. Le récepteur moléculaire 16 comporte typiquement une molécule biologique ou synthétique qui présente une affinité spécifique pour la molécule à détecter. Pour les applications de mise en séquence et/ou de détection d'ADN, le récepteur moléculaire 16 comporte au moins une éprouvette d'ADN qui présente une séquence spécifique de paires de bases. Il faut remarquer que les modes de réalisation de la présente invention ne se limitent pas à la détection de l'hybridation des molécules d'ADN. Par exemple, des modes de réalisation de la présente invention peuvent être utilisés pour détecter la liaison anticorps-antigène. Figure 1 is a block diagram of an integrated molecular detection device 10 according to the present invention. The integrated molecular detection device 10 comprises a substrate 12 which defines a binding site 14 intended to receive a molecular receptor 16. In general, the molecular receptor 16 is chosen according to the type of molecule which is to be detected. The molecular receptor 16 typically comprises a biological or synthetic molecule which has a specific affinity for the molecule to be detected. For DNA sequencing and / or detection applications, the molecular receptor 16 includes at least one DNA test piece which has a specific sequence of base pairs. It should be noted that the embodiments of the present invention are not limited to the detection of hybridization of DNA molecules. For example, embodiments of the present invention can be used to detect antibody-antigen binding.

Une source lumineuse 18 est intégrée dans le substrat 12. La source lumineuse 18 éclaire le site de liaison 14 à travers le substrat 12 afin de produire une indication optique de l'hybridation ou de la liaison d'une molécule 19 avec le récepteur moléculaire 16. A light source 18 is integrated into the substrate 12. The light source 18 illuminates the binding site 14 through the substrate 12 in order to produce an optical indication of the hybridization or of the binding of a molecule 19 with the molecular receptor 16 .

L'indication optique peut être fournie, par exemple, par un fluorogène qui produit de manière sélective de la lumière lorsqu'une hybridation se produit.The optical indication can be provided, for example, by a fluorogen which selectively produces light when hybridization occurs.

Un détecteur optique 20 est également intégré dans le substrat 12. Le détecteur optique 20 détecte l'indication optique à travers le substrat 12, et détecte ainsi l'hybridation ou la liaison de la molécule 19. An optical detector 20 is also integrated in the substrate 12. The optical detector 20 detects the optical indication through the substrate 12, and thus detects the hybridization or the binding of the molecule 19.

Dans l'un des modes de réalisation préférés, le substrat 12 est formé de verre, de sorte que le site de liaison 14 peut être éclairé à travers le substrat 12, et que l'indication optique peut être détectée à travers le substrat 12. En général, le substrat 12 peut être formé d'un matériau essentiellement transparent pour permettre l'éclairage et la détection à travers celui-ci. In one of the preferred embodiments, the substrate 12 is formed of glass, so that the binding site 14 can be illuminated through the substrate 12, and the optical indication can be detected through the substrate 12. In general, the substrate 12 can be formed of an essentially transparent material to allow lighting and detection through it.

La figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'un dispositif intégré de détection moléculaire selon la présente invention. Le dispositif intégré de détection moléculaire comporte un substrat 30 qui peut être formé en verre. Le substrat 30 définit une première face 32 (ou face supérieure) et une seconde face 34 (ou face opposée). Comme illustré, la première face 32 est à l'opposé de la seconde face 34 dans ce mode de réalisation. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of another embodiment of an integrated molecular detection device according to the present invention. The integrated molecular detection device comprises a substrate 30 which can be formed from glass. The substrate 30 defines a first face 32 (or upper face) and a second face 34 (or opposite face). As illustrated, the first face 32 is opposite the second face 34 in this embodiment.

Un site de liaison 36 destiné à recevoir un récepteur moléculaire 37 est défini sur la première face 32 du substrat 30. Le site de liaison 36 peut être formé en ménageant un puits par gravure chimique ou par microusinage dans le substrat 30. Le récepteur moléculaire 37 est déposé dans le site de liaison 36 en utilisant une technique de distribution robotisée, une technique d'assemblage automatique, ou d'autres techniques connues du spécialiste de la technique. Pour les applications de mise en séquence et/ou de détection d'ADN, le récepteur moléculaire 37 comporte une chaîne d'au moins un nucléotide pour détecter une molécule ayant une chaîne complémentaire d'au moins un nucléotide. Dans ce cas, le récepteur moléculaire 37 peut comporter au moins une éprouvette d'ADN qui s'hybride de manière sélective avec des molécules d'ADN prédéterminées. A binding site 36 intended to receive a molecular receptor 37 is defined on the first face 32 of the substrate 30. The binding site 36 can be formed by providing a well by chemical etching or by micromachining in the substrate 30. The molecular receptor 37 is deposited in the binding site 36 using a robotic distribution technique, an automatic assembly technique, or other techniques known to those skilled in the art. For DNA sequencing and / or detection applications, the molecular receptor 37 comprises a chain of at least one nucleotide to detect a molecule having a complementary chain of at least one nucleotide. In this case, the molecular receptor 37 can comprise at least one DNA test tube which hybridizes selectively with predetermined DNA molecules.

Une source lumineuse 38 est incorporée sur la seconde face 34 du substrat 30. Dans l'un des modes de réalisation préférés, la source lumineuse 38 comporte une diode électro-luminescente polymère fabriquée sur la seconde face 34 du substrat 30.  A light source 38 is incorporated on the second face 34 of the substrate 30. In one of the preferred embodiments, the light source 38 comprises a polymer light-emitting diode fabricated on the second face 34 of the substrate 30.

Le site de liaison 36 est éclairé par la source lumineuse 38 à travers le substrat 30. En d'autres termes, la lumière générée sur la seconde face 34 du substrat 30 (par la source lumineuse 38) est transmise à travers le substrat 30 pour atteindre le site de liaison 36 sur la première face 32. L'éclairage du site de liaison 36 agit pour illuminer un indicateur optique d'une molécule qui s'est hybridée avec le récepteur moléculaire 37. L'éclairage de l'indicateur optique agit pour produire une indication optique de l'hybridation. The bonding site 36 is illuminated by the light source 38 through the substrate 30. In other words, the light generated on the second face 34 of the substrate 30 (by the light source 38) is transmitted through the substrate 30 to reaching the binding site 36 on the first face 32. The lighting of the binding site 36 acts to illuminate an optical indicator of a molecule which has hybridized with the molecular receptor 37. The lighting of the optical indicator acts to produce an optical indication of hybridization.

L'indicateur optique peut être fourni par un fluorogène qui devient actif de manière sélective lorsqu'une hybridation se produit. Dans ce cas, la source lumineuse 38 présente de préférence une caractéristique spectrale qui correspond aux bandes d'absorption du fluorogène. Le nombre de molécules fluorescentes peut être augmenté en fixant de multiples molécules fluorescentes à une perle ou à un élément similaire qui est lié à la molécule. Il faut noter, toutefois, que les modes de réalisation de la présente invention ne sont pas limités à l'utilisation d'indicateurs fluorescents, et que d'autres indicateurs optiques peuvent être utilisés aux mêmes fins. The optical indicator can be provided by a fluorogen which becomes selectively active when hybridization occurs. In this case, the light source 38 preferably has a spectral characteristic which corresponds to the absorption bands of the fluorogen. The number of fluorescent molecules can be increased by attaching multiple fluorescent molecules to a bead or similar element which is linked to the molecule. It should be noted, however, that the embodiments of the present invention are not limited to the use of fluorescent indicators, and that other optical indicators can be used for the same purpose.

Un détecteur optique 40 est incorporé sur la seconde face 34 du substrat 30 afin de détecter l'indication optique. Le détecteur optique 40 peut comporter une photodiode fabriquée sur la seconde face 34 du substrat 30. Le détecteur optique 40 détecte l'indication optique, et donc l'hybridation de la molécule, à travers le substrat 30. En d'autres termes, l'indication optique générée sur la première face 32 du substrat 30 est transmise à travers le substrat 30 jusqu'au détecteur optique 40 sur la seconde face 34. An optical detector 40 is incorporated on the second face 34 of the substrate 30 in order to detect the optical indication. The optical detector 40 can comprise a photodiode fabricated on the second face 34 of the substrate 30. The optical detector 40 detects the optical indication, and therefore the hybridization of the molecule, through the substrate 30. In other words, the the optical indication generated on the first face 32 of the substrate 30 is transmitted through the substrate 30 to the optical detector 40 on the second face 34.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, la source lumineuse 38 et le détecteur optique 40 sont situés l'un à côté de l'autre sur la seconde face 34 du substrat 30. Pour protéger le détecteur optique 40 de la lumière émise par la source lumineuse 38, le dispositif intégré de détection moléculaire comporte un filtre 42 incorporé sur le détecteur optique 40. Dans ce cas, le filtre 42 peut comporter un filtre coloré destiné à éliminer la lumière fluorescente provenant de la source lumineuse 38. In the embodiment of FIG. 2, the light source 38 and the optical detector 40 are located one next to the other on the second face 34 of the substrate 30. To protect the optical detector 40 from the light emitted by the light source 38, the integrated molecular detection device comprises a filter 42 incorporated on the optical detector 40. In this case, the filter 42 may comprise a colored filter intended to eliminate the fluorescent light coming from the light source 38.

Le dispositif intégré de détection moléculaire comprend facultativement une électrode transparente 44 incorporée dans le substrat 30 en un emplacement proche du site de liaison 36. L'électrode transparente 44 est utilisée pour accélérer l'hybridation et la déshybridation de la molécule d'avec le récepteur moléculaire 37 au moyen d'un champ électrique. En raison de sa transparence, l'électrode transparente 44 permet l'éclairage et la détection de l'indicateur optique sur la seconde face 34 du substrat 30. The integrated molecular detection device optionally comprises a transparent electrode 44 incorporated in the substrate 30 at a location close to the binding site 36. The transparent electrode 44 is used to accelerate the hybridization and the dehybridization of the molecule from the receptor molecular 37 by means of an electric field. Because of its transparency, the transparent electrode 44 allows lighting and detection of the optical indicator on the second face 34 of the substrate 30.

La figure 3 est un organigramme d'un mode de réalisation d'une méthode de détection de l'hybridation d'une molécule avec un récepteur moléculaire. De préférence, le procédé est utilisé en conjonction avec un dispositif de détection moléculaire tel que décrit dans le présent document. Il faut remarquer, toutefois, que le procédé peut également être utilisé pour détecter l'hybridation dans d'autres dispositifs. FIG. 3 is a flow diagram of an embodiment of a method for detecting the hybridization of a molecule with a molecular receptor. Preferably, the method is used in conjunction with a molecular detection device as described in this document. It should be noted, however, that the method can also be used to detect hybridization in other devices.

Comme indiqué à la case 50, le procédé comporte une étape de fourniture d'un substrat qui définit un site de liaison destiné à recevoir le récepteur moléculaire. Le substrat peut être fourni dans un dispositif de détection moléculaire, tels que les modes de réalisation du dispositif de détection moléculaire décrits dans le présent document. Comme décrit plus haut, le substrat est formé d'un matériau, tel que le verre, qui permet la transmission de la lumière. As indicated in box 50, the method includes a step of providing a substrate which defines a binding site intended to receive the molecular receptor. The substrate can be provided in a molecular detection device, such as the embodiments of the molecular detection device described in this document. As described above, the substrate is formed of a material, such as glass, which allows the transmission of light.

Comme indiqué à la case 52, le procédé comporte une étape facultative de production d'un champ électrique au moyen d'une électrode transparente située à proximité du site de liaison. Le champ électrique est généré pour attirer les molécules vers le site de liaison afin d'améliorer l'hybridation avec le récepteur moléculaire. As indicated in box 52, the method includes an optional step of producing an electric field by means of a transparent electrode located near the bonding site. The electric field is generated to attract molecules to the binding site in order to improve hybridization with the molecular receptor.

Comme indiqué à la case 54, une étape consistant à éclairer le site de liaison à travers le substrat est réalisée pour produire une indication optique de l'hybridation d'une molécule avec le récepteur moléculaire. Si une électrode transparente est incluse, le site de liaison et l'indication optique sont éclairés à travers l'électrode transparente. Comme décrit plus haut, le site de liaison peut être éclairé depuis une face du substrat se trouvant à l'opposé de la face sur laquelle est défini le site de liaison. Le site de liaison peut être éclairé par une source lumineuse, telle qu'une diode électro-luminescente, fabriquée sur le substrat. As indicated in box 54, a step of illuminating the binding site through the substrate is performed to produce an optical indication of hybridization of a molecule with the molecular receptor. If a transparent electrode is included, the binding site and the optical indication are illuminated through the transparent electrode. As described above, the binding site can be illuminated from one face of the substrate which is opposite to the face on which the binding site is defined. The bonding site can be illuminated by a light source, such as a light emitting diode, fabricated on the substrate.

Comme indiqué à la case 56, une étape de détection de l'indication optique à travers le substrat est réalisée. Si une électrode transparente est incluse, l'indication optique est détectée à travers l'électrode transparente. L'indication optique peut être détectée depuis une face du substrat opposée à la face sur laquelle est défini le site de liaison. L'indication optique peut être détectée au moyen d'un détecteur optique, tel qu'une photodiode, fabriqué sur le substrat. As indicated in box 56, a step of detecting the optical indication through the substrate is carried out. If a transparent electrode is included, the optical indication is detected through the transparent electrode. The optical indication can be detected from a face of the substrate opposite to the face on which the binding site is defined. The optical indication can be detected using an optical detector, such as a photodiode, fabricated on the substrate.

Comme indiqué à la case 58, le procédé comporte une étape facultative consistant à générer un champ électrique au moyen de l'électrode transparente afin de déshybrider la molécule d'avec le récepteur moléculaire.  As indicated in box 58, the method comprises an optional step consisting in generating an electric field by means of the transparent electrode in order to dehybridize the molecule with the molecular receptor.

La figure 4 est une vue schématique en perspective d'un mode de réalisation préféré d'une puce intégrée de détection moléculaire selon la présente invention. La puce intégrée de détection moléculaire comporte un substrat 60 qui définit une pluralité de sites de liaison 62. La pluralité de sites de liaison 62 est formée de puits 64 ménagés par qravure chimique sur la face supérieure 66 du substrat 60. Dans ce mode de réalisation, la pluralité de sites de liaison 62 sélectifs est agencée sous la forme d'une matrice. Dans d'autres modes de réalisation, la pluralité de sites de liaison 62 peut être agencée selon un autre type de groupement. Figure 4 is a schematic perspective view of a preferred embodiment of an integrated molecular detection chip according to the present invention. The integrated molecular detection chip comprises a substrate 60 which defines a plurality of binding sites 62. The plurality of binding sites 62 is formed of wells 64 formed by chemical etching on the upper face 66 of the substrate 60. In this embodiment , the plurality of selective binding sites 62 is arranged in the form of a matrix. In other embodiments, the plurality of binding sites 62 can be arranged in another type of grouping.

La figure 5 est une vue schématique en coupe transversale du mode de réalisation préféré de la puce intégrée de détection moléculaire. Des récepteurs d'ADN 70 spécifiques présentant des séquences spécifiques de paires de bases sont déposés dans les puits 64. Les récepteurs d'ADN 70 spécifiques peuvent être déposés en utilisant des techniques qui comprennent, sans y être limités, des techniques de distribution robotisée et des techniques d'assemblage automatique. Figure 5 is a schematic cross-sectional view of the preferred embodiment of the integrated molecular detection chip. Specific DNA 70 receptors having specific base pair sequences are deposited in wells 64. Specific DNA 70 receptors can be deposited using techniques which include, but are not limited to, robotic delivery techniques and automatic assembly techniques.

Intégré dans le substrat 60, sous chaque site de la pluralité de sites de liaison 62, est disposé le détecteur respectif d'une pluralité de détecteurs optiques 72. Chaque détecteur de la pluralité de détecteurs optiques 72 comporte une photodiode a-Si fabriquée dans la surface inférieure 74 du substrat 60. Integrated into the substrate 60, under each site of the plurality of bonding sites 62, is disposed the respective detector of a plurality of optical detectors 72. Each detector of the plurality of optical detectors 72 comprises an a-Si photodiode manufactured in the lower surface 74 of substrate 60.

La pluralité de détecteurs optiques 72 peut être adressée selon une matrice en utilisant des transistors a-Si ou poly-Si à couche mince pour former un groupement d'imagerie en correspondance biunivoque avec les sites de liaison 62.The plurality of optical detectors 72 can be addressed in a matrix by using thin-film a-Si or poly-Si transistors to form an imaging group in one-to-one correspondence with the binding sites 62.

Entre chaque paire adjacente d'une rangée de la pluralité de détecteurs optiques 72 se trouve une source respective d'une pluralité de sources lumineuses 76 intégrées dans le substrat 60. Chaque source de la pluralité de sources lumineuses 76 comprend une diode électro-luminescente polymère fabriquée dans la surface inférieure 74 du substrat 60. La pluralité de sources lumineuses 76 présente une caractéristique spectrale correspondant aux bandes d'absorption des fluorogènes utilisés pour fournir l'indication optique. Un filtre coloré 78 est incorporé sur chaque détecteur de la pluralité de détecteurs optiques 72 afin d'occulter la lumière émise par la pluralité de sources lumineuses 76. Between each adjacent pair of a row of the plurality of optical detectors 72 is a respective source of a plurality of light sources 76 integrated into the substrate 60. Each source of the plurality of light sources 76 comprises a polymer light-emitting diode fabricated in the lower surface 74 of the substrate 60. The plurality of light sources 76 has a spectral characteristic corresponding to the absorption bands of the fluorogens used to provide the optical indication. A color filter 78 is incorporated on each detector of the plurality of optical detectors 72 in order to obscure the light emitted by the plurality of light sources 76.

Dans le but d'accélérer les processus d'hybridation et de déshybridation, chaque site de la pluralité de sites de liaison 62 présente une électrode respective d'une pluralité d'électrodes transparentes 80 intégrée à proximité de celui-ci. Les électrodes transparentes 80 génèrent un champ électrique destiné à favoriser l'hybridation et la déshybridation. Les électrodes transparentes 80 sont individuellement adressables à des fins d'adressage et d'assemblage automatiques. La puce intégrée de détection moléculaire peut en outre comporter une membrane polymère à chaque site de la pluralité de sites de liaison 62 pour faciliter la liaison des molécules avec ceux-ci. In order to speed up the hybridization and dehybridization processes, each site of the plurality of binding sites 62 has a respective electrode of a plurality of transparent electrodes 80 integrated close to it. The transparent electrodes 80 generate an electric field intended to promote hybridization and dehybridization. The transparent electrodes 80 are individually addressable for automatic addressing and assembly purposes. The integrated molecular detection chip can also include a polymer membrane at each site of the plurality of binding sites 62 to facilitate the binding of molecules with them.

Pendant le fonctionnement, les séquences d'ADN appropriées s'hybrident avec les sites sélectifs de la pluralité de sites de liaison 62 en utilisant une hybridation classique, ou une hybridation assistée par une technique électrique ou thermique. Après l'hybridation, les séquences indésirables, dont la liaison est seulement partielle, sont déshybridées en utilisant un champ électrique ou la désorption thermique. During operation, the appropriate DNA sequences hybridize to the selective sites of the plurality of binding sites 62 using conventional hybridization, or hybridization assisted by electrical or thermal technique. After hybridization, the undesirable sequences, the binding of which is only partial, are dehybridized using an electric field or thermal desorption.

La pluralité de sources lumineuses 76 émet de la lumière, et la fluorescence de chaque site de la pluralité de sites de liaison 62 est lue par la pluralité de détecteurs optiques 72. Des techniques de détection sensibles à la phase peuvent être incorporées en modulant un circuit d'entraînement relié à chaque détecteur de la pluralité de détecteurs optiques 72. Ces techniques sont avantageuses pour améliorer la sensibilité de la détection.The plurality of light sources 76 emit light, and the fluorescence of each site of the plurality of binding sites 62 is read by the plurality of optical detectors 72. Phase-sensitive detection techniques can be incorporated by modulating a circuit drive connected to each detector of the plurality of optical detectors 72. These techniques are advantageous for improving the sensitivity of the detection.

Les sites hybridés peuvent alors être détectés en vue de déterminer les séquences de nucléotides spécifiques dans l'échantillon d'ADN. La puce de détection moléculaire peut ensuite être totalement déshybridée en utilisant des moyens chimiques, thermiques ou électriques, de manière à pouvoir répéter le processus d'hybridation et de détection. The hybridized sites can then be detected in order to determine the specific nucleotide sequences in the DNA sample. The molecular detection chip can then be completely dehybridized using chemical, thermal or electrical means, so that the hybridization and detection process can be repeated.

En conséquence, sont ici décrits un concept, ainsi que plusieurs modes de réalisation comprenant des modes de réalisation préférés d'un dispositif intégré de détection moléculaire optique et un procédé de cette détection. Consequently, a concept is described here, as well as several embodiments comprising preferred embodiments of an integrated optical molecular detection device and a method of this detection.

Du fait que les différents modes de réalisation de la présente invention intègrent un site de liaison, une source lumineuse, et un détecteur optique sur un seul et même substrat, ils offrent une amélioration notable en ce qu'un dispositif moléculaire totalement intégré est produit. Because the various embodiments of the present invention integrate a binding site, a light source, and an optical detector on a single substrate, they offer a significant improvement in that a fully integrated molecular device is produced.

Par ailleurs, les différents modes de réalisation de la présente invention, tels qu'ils sont décrits dans le présent document, comportent une électrode transparente située à proximité de chaque site de liaison afin de faciliter l'hybridation et la déshybridation au moyen d'un champ électrique. La transparence de l'électrode permet à la fois d'éclairer et de détecter une indication optique à travers l'électrode.  Furthermore, the various embodiments of the present invention, as described in this document, include a transparent electrode located near each binding site in order to facilitate hybridization and dehybridization by means of a electric field. The transparency of the electrode allows both to illuminate and detect an optical indication through the electrode.

Il sera évident pour le spécialiste de la technique que l'invention décrite ici peut être modifiée de nombreuses façons et peut prendre la forme de nombreux modes de réalisation qui sont différents de la forme préférée spécifiquement présentée et décrite ci-dessus. It will be obvious to those skilled in the art that the invention described herein can be varied in many ways and can take the form of many embodiments which are different from the preferred form specifically presented and described above.

En conséquence, les revendications jointes sont destinées à couvrir toutes les modifications de l'invention qui respectent l'esprit et à l'étendue de la présente invention.  Accordingly, the appended claims are intended to cover all modifications of the invention which respect the spirit and the scope of the present invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Dispositif intégré de détection moléculaire comprenant: 1. Integrated molecular detection device comprising: un substrat qui définit un site de liaison destiné à recevoir un récepteur moléculaire; a substrate which defines a binding site for receiving a molecular receptor; une source lumineuse intégrée dans le substrat, la source lumineuse étant destinée à éclairer le site de liaison à travers le substrat afin de produire une indication optique de l'hybridation d'une molécule avec le récepteur moléculaire; et a light source integrated in the substrate, the light source being intended to illuminate the binding site through the substrate in order to produce an optical indication of the hybridization of a molecule with the molecular receptor; and un détecteur optique intégré dans le substrat, le détecteur optique étant destiné à détecter l'indication optique à travers le substrat. an optical detector integrated in the substrate, the optical detector being intended to detect the optical indication through the substrate. 2. Dispositif intégré de détection moléculaire selon la revendication 1 dans lequel le substrat est sensiblement transparent. 2. Integrated molecular detection device according to claim 1, in which the substrate is substantially transparent. 3. Dispositif intégré de détection moléculaire selon la revendication 1 dans lequel le substrat est formé en verre. 3. Integrated molecular detection device according to claim 1 wherein the substrate is formed of glass. 4. Dispositif intégré de détection moléculaire selon la revendication 1 dans lequel le substrat définit une première face sur laquelle est défini le site de liaison et une seconde face opposée à la première face sur laquelle est intégrée la source de lumière. 4. Integrated molecular detection device according to claim 1, in which the substrate defines a first face on which the binding site is defined and a second face opposite to the first face on which the light source is integrated. 5. Dispositif intégré de détection moléculaire selon la revendication 1 dans lequel le récepteur moléculaire comporte une chaîne d'au moins un nucléotide, et dans lequel la molécule comporte une chaîne complémentaire d'au moins un nucléotide. 5. Integrated molecular detection device according to claim 1, in which the molecular receptor comprises a chain of at least one nucleotide, and in which the molecule comprises a complementary chain of at least one nucleotide. 6. Procédé de détection de l'hybridation d'une molécule avec un récepteur moléculaire, le procédé comprenant les étapes de: 6. Method for detecting the hybridization of a molecule with a molecular receptor, the method comprising the steps of: fourniture d'un substrat qui définit un site de liaison destiné à recevoir le récepteur moléculaire; providing a substrate which defines a binding site for receiving the molecular receptor; éclairage du site de liaison par une source lumineuse intégrée dans le substrat, le site de liaison étant éclairé à travers le substrat afin de produire une indication optique de l'hybridation d'une molécule avec le récepteur moléculaire; et illumination of the binding site by a light source integrated in the substrate, the binding site being illuminated through the substrate in order to produce an optical indication of the hybridization of a molecule with the molecular receptor; and détection de l'indication optique à travers le substrat au moyen d'un détecteur optique intégré dans le substrat. detection of the optical indication through the substrate by means of an optical detector integrated in the substrate. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l'indication optique est détectée depuis la seconde face du substrat. 7. The method of claim 6 wherein the optical indication is detected from the second face of the substrate. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'indication optique est détectée grâce à une photodiode fabriquée sur la seconde face du substrat. 8. The method of claim 7 wherein the optical indication is detected by a photodiode fabricated on the second face of the substrate. 9. Procédé selon la revendication 7 comprenant en outre l'étape consistant à protéger le détecteur optique de la lumière qui éclaire le site de liaison. The method of claim 7 further comprising the step of protecting the optical detector from light which illuminates the binding site. 10. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l'indication optique est détectée à travers une électrode transparente située à proximité du site de liaison.  10. The method of claim 6 wherein the optical indication is detected through a transparent electrode located near the binding site.
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