Hoofdstuk 1: Ontstaan en betekenis van Lab on a

Hoofdstuk 1: Ontstaan en betekenis van Lab on a chip
De Lab on a chip is onder andere ontstaan door de behoefte van mensen, zoals een
psychiater die vraagt om de concentratie lithium in bloed te bepalen, of een thuistest
voor spermakwaliteit, een therapie voor kanker en het testen van koeien op melkziekte.
De gewenste microlabjes zijn mogelijk geworden door technologische ontwikkelingen,
die vooral te maken hebben met miniaturisatie.
Toen de eerste computers ontstonden, kenden ze nog geen transistors, waardoor de
computers immens groot waren. Waar een computer in 1946 nog 30.000 kilogram woog
en 200.000 watt gebruikte, is dit vanaf 1978 nog maar 40 watt en is de chip niet groter
dan een postzegel.
De ontwikkelingen van Lab on a chip is begonnen in de jaren ’90. Een Lab on a chip is een
chip waarop zich een dun vloeistofkanaaltje bevindt. Hierin kan een reactie tussen twee
verschillende vloeistoffen plaatsvinden. Deze vloeistofkanaaltjes zijn zo klein, dat je een
microscoop nodig hebt om de vloeistoffen te zien stromen. De reacties en metingen in
een Lab on a chip vinden plaats ineen heel klein plaatje glas of ander materiaal dat goed
bestand is tegen chemicaliën. Zo’n chip wordt ook wel een fluïdische chip genoemd.
Hoofdstuk 2: Geschiedenis en kenmerken van Lab on a chip
Enkele wetenschappelijke vorderingen hebben voor de ontwikkeling van Lab on a chip
gezorgd.
1. De scheikundige microanalyse techniek.
Ontwikkeling van de chromatografie, wat leidde tot capillaire elektroforese:
techniek waarbij elektrisch geladen deeltjes gescheiden worden.
2. Militaire detectietechnieken van gifgassen of biologische wapens.
3. Verbeterde analysetechnieken op het terrein van Moleculaire Biologie.
4. De ontwikkelingen op het gebied van de micro-elektronica.
Het gebruik van polydimethylsiloxaan (PMDS) voor de microkanaaltjes.
Om vloeistoffen door de kleine kanaaltjes te krijgen, zijn er microfluïdica ontwikkeld.
Daarnaast moet er in veel Lab on a chips elektrisch gemeten worden, waardoor er
elektroden aangebracht zijn op de chip.
Wil je een proces geheel of gedeeltelijk uitvoeren op een Lab on a chip, dan moeten alle
stappen een plekje krijgen. Ook is van belang of je dit proces in stappen (batch) of
zonder onderbrekingen (continu) wilt uitvoeren.
Een Lab on a chip heeft een aantal aspecten:
1. Stroming:
wanneer een kanaal nauwer wordt, wordt de weerstand groter. Dat betekend dat
de druk in een Lab on a chip groot moet zijn om de vloeistof te verplaatsen.
2. Laminaire stroming:
in een microkanaal stroomt vloeistof in laagjes, parallel aan de wand.
3. Mengen:
er bestaat altijd diffusie tussen vloeistofstromen. Door de diffusie mengen de
vloeistoffen.
4. Kanalen samenvoegen:
wanneer je twee vloeistofkanalen samenvoegt, mengen de vloeistoffen.
5. Volume afmeten:
het precies afmeten van een hoeveelheid vloeistof vraagt om nauwkeurigheid.
6. Schakelaars en kleppen:
kiezen welke vloeistoffen samenkomen vraagt om schakelaars of kleppen.
7. Verwarmen en koelen
op een chip kan verwarmd en gekoeld worden voor betere omstandigheden.
8. Meten van pH en geleidbaarheid
via elektroden op de chip wordt bepaald of er ionen in de vloeistof aanwezig zijn.
9. Meten van kleurverandering:
de kanaaltjes in een Lab on a chip zijn klein waardoor je kleurverandering lastig
waarneemt. Hiervoor zijn gevoelige sensoren nodig.
10. Druppels vormen en druppels laten versmelten:
het is mogelijk om druppeltjes op een chip te vormen met precies dezelfde
diameter. Deze druppels zijn nuttig voor allerlei toepassingen, bijvoorbeeld om
emulsies te maken van stoffen die niet mengbaar zijn.
11. Sorteren van cellen:
is mogelijk door elektrische stroom te gebruiken.
12. Elektroforese:
als je op twee punten spanning zet is het mogelijk om geladen deeltjes te
verplaatsen door een kanaaltje.
Hoodfstuk 3: Klein, kleiner, micro en nano
Nano is een benaming voor één miljardste (10-9). Voor lengtematen geldt:
m
dm
cm
mm
𝜇m
3
3
3
3
m
dm
cm
mm
𝜇m3
kL
L
cL
mL
𝜇L
nm
nm3
nL
Op microschaal ziet de wereld er heel anders uit dan wij gewend zijn. Dit komt omdat
niet alle krachten op dezelfde manier werken op microschaal. Een voorbeeld: een vlieg
op het plafond. De zwaartekracht van deze vlieg is evenredig met zijn massa, die
evenredig is met de volume van de vlieg. Echter, de adhesiekracht, evenredig met het
oppervlak van zijn pootjes, speelt een grotere rol en overheerst de zwaartekracht.
Bij veel chemische reacties en diffusieprocessen is een relatief groot oppervlak benodigd
om chemicaliën goed in contact te laten komen. Zo kan bij een groter oppervlak de
ontstane warmte beter worden afgevoerd en kunnen vloeistoffen beter mengen. Voor
zulke processen is de verhouding tussen oppervlakte A en volume V belangrijk.
De miniaturisering van de handelingen met vloeistoffen kent meerdere voordelen:
1. Er zijn minder grote hoeveelheden dure grondstoffen nodig en er ontstaan
minder afvalstoffen.
2. Een gunstige A/V-verhouding staat garant voor goed contact tussen de stoffen
onderling, waardoor chemische reacties sneller verlopen. Ook kan warmte
makkelijker geregeld worden.
3. Een Lab on a chip kan een hoge druk verdragen. Volgens F = pA mag door het
kleine oppervlak de druk hoog worden, aangezien er weinig kracht bij vrijkomt.
4. Je kunt werken met hele kleine monsters van wat je wilt onderzoeken.
5. Voor onderzoek met giftige stoffen is het risico met een Lab on a chip klein.
6. Een Lab on a chip kun je veel makkelijker meenemen dan een laboratorium.
7. Door standaardisatie worden de chips goedkoper.
Naast voordelen zijn er ook nadelen aan nanotechnologie. Zo weten we nog niet wat
voor effecten nanostructuren (kunstmatig gegroeide grote moleculen en kristalachtige
materialen) op onze lichamen hebben.
Nanodeeltjes zitten wat betreft hun formaat tussen de atomaire- en microschaal in. Door
deze afmetingen krijgen ze eigenschappen die niet te zien zijn wanneer je het materiaal
samenvoegt. Zo zijn gouddeeltjes op nanoschaal vaak niet meer geel. Dit komt doordat
de absorptie en reflectie van licht door goud-nanodeeltjes heel anders is dan van massief
goud. Wanneer je de vorm veranderd in een staaf, blijkt goud infrarood licht sterk te
absorberen. Als je dit toedient en bestraalt met een laser nabij kankercellen, kun je een
patiënt behandelen tegen kanker.
De Lab on a chip werkt met nanoliters, maar wordt niet onder de categorie
nanotechnologie gerekend. Dit omdat de kanaaltjes minimaal een diameter van 10
micrometer hebben.
Afspraak: nanotechnologie is de techniek die het mogelijk moet maken te werken met
deeltjes in de orde van grootte van nanometers (0,06 nm tot 0,3 nm).
Het ontwerpen en ontwikkelen van een Lab on a chip is een duur proces. Het maken van
chips moet bijvoorbeeld in een clean room gebeuren. Door een overdruk in deze kamer
gaan deeltjes de kamer uit. Daarnaast wordt de lucht dagelijks gefilterd. Door een
productieproces kunnen ontwikkelde chips in grote getalen gemaakt worden, waardoor
het niet onbetaalbaar duur wordt. Op een grote schijf (wafer) kunnen chips gelijktijdig
geproduceerd worden. De geproduceerde chips worden vaak één keer gebruikt, omdat
het schoonmaken van de chips erg lastig is. Om ervoor te zorgen dat het materiaal van
de chip niet aangetast wordt, gebruikt men polydimethylsiloxaan (PDMS) of
siliciumdioxide (glas) als dragermateriaal.
Voor de productie wordt gebruik gemaakt van een ontwerp (masker), een negatief dat
op het basismateriaal gelegd wordt. Zo’n masker bestaat uit lichtdoorlatende en –dichte
delen, een proces dat lithografie genoemd wordt.
Eerst legt men een dun laagje lichtgevoelig materiaal aan op het te behandelen
basismateriaal. Vervolgens belicht men dit door het masker, waardoor de belichte delen
van eigenschap veranderen en chemisch kunnen worden verwijderd.
Voor fijne structuren zoals de kanalen wordt het etsen aan de hand van
waterstoffluoride (agressief zuur) gebruikt.
Voor de toevoergaten kunnen poederstralen gebruikt worden. Dit is minder
nauwkeurig, maar verloopt stukken sneller.
De geproduceerde laagjes kunnen vervolgens op elkaar geplakt worden (bonding). Dit
wordt gedaan doormiddel van temperatuur- en drukverhoging.
Als laatste worden de elektrische contacten (elektroden) aangebracht door
metaaldeeltjes op de juiste plaats te sproeien (sputteren).
Voor het sputteren wordt de sputtertechniek gebruikt. Hierbij worden losse atomen van
het metaal elektrisch op de chip “geschoten”. Met behulp van maskers kunnen de
atomen selectief verdeeld worden.
Bij het sputteren bevindt de chip zich in vacuüm. Hier wordt een klein beetje argon gas
door de ruimte gelaten en wordt er een hoge elektrische spanning aangelegd tussen het
plaatje metaal en hulpelektroden. Door het argon gas schieten metaalatomen met een
hoge snelheid alle kanten op, en dus ook op de metalen plaat.
Hoofdstuk 4: Vier Lab on a chip’s nader bekeken
In dit hoofdstuk worden vier toepassingen van Lab on a chip bekeken.
1. Bepaling van lithium in het menselijk bloed
De lithiumchip is een glasplaatje met microkanaaltjes. Op het glas zijn
aansluitingen aangebracht zodat de concentratie lithium in een druppel bloed
kan worden bepaald. Op deze chip wordt bloed aangebracht en deze wordt
vervolgens in een meetkastje geschoven. Hier wordt het voorbijkomen van
positieve ionen door het middelste kanaaltje gedetecteerd. Dit gebeurt door de
meting van de elektrische weerstand tussen de twee elektroden-aansluitingen. Zo
worden naast lithiumionen ook natrium- en kaliumionen gedetecteerd. In
menselijk bloed zitten veel meer natriumionen dan lithiumionen. Om alleen de
lithiumconcentratie te kunnen bepalen, moet het meetkastje worden ingesteld.
2. Kwaliteit van sperma
Bij kinderloze echtparen wordt vaak onderzoek gedaan. De eerste stap hierbij is
het onderzoeken van de spermakwaliteit. Om dit gemakkelijker en goedkoper
aan te pakken, is er een chip ontwikkelt die het zaad onderzoekt op kwaliteit. Er
zijn voor de vruchtbaarheid drie criteria opgesteld:
a. hoe groot het minimale aantal zaadcellen per ml dient te zijn;
b. hoe beweeglijk de zaadcellen dienen te zijn;
c. hoe groot het percentage misvormde zaadcellen maximaal mag zijn.
De spermachip onderzoekt voorlopig alleen nog criteria 1 maar is wel veel
nauwkeuriger dan de bepalingen in het laboratorium.
Het zaadvloeistof wordt door een kanaaltje met twee elektroden geleidt, waar
zaadcellen makkelijk waarneembaar zijn omdat ze veel slechter elektrisch
geleiden dan de zaadvloeistof. Omdat er gebruikgemaakt wordt van
wisselstroom, wordt de impedantie van de chip gemeten. Wanneer er een cel
passeert waarbij de buitenkant bestaat uit een elektrisch isolerende lipidemembraan, neemt de impedantie toe waardoor de zaadcellen gemakkelijk te
detecteren zijn.
Het concept van de spermascheiding is ontstaan in 2003 waarbij onderzoekers
een techniek ontwikkelt hebben met microfluidic embryo culturing op chip om
in vitro fertilization te realiseren.
3. Een nanopil
Wanneer je een verhoogd risico op darmkanker hebt, is het belangrijk om dit
vroeg te signaleren. Hiervoor is een nanopil ideaal. Deze pil zoekt naar bepaalde
DNA fragmenten in de vloeistof in de darmen die alleen aanwezig zijn bij een
tumor. Wanneer de pil dit DNA detecteert. verstuurt hij een bericht naar je
huisarts. Deze detectie vindt plaats doordat de DNA fragmenten zich hechten aan
nanodraadjes. Dit zorgt voor een verandering in geleidbaarheid, wat wordt
opgemerkt en doorgegeven.
4. Veterinaire Lab on a chip
Deze chip maakt het mogelijk om snel te diagnosticeren bij vermoeden van
melkziekte. Deze ziekte heeft te maken met de calciumbalans in het
koeienlichaam. Wanneer er melk wordt geproduceerd, is hier calcium voor nodig.
Als dit calcium uit de spieren wordt gehaald, kan dit gevaarlijk worden voor een
koe en zelfs fataal. Aan de hand van deze chip kunnen dierenartsen binnen twee
minuten met elektrolytenanalyse de calcium- en magnesiumgehalten bepalen.
Hoofdstuk 5: Technologie en Natuurwetenschap in de Lab on a chip
Oppervlaktekrachten spelen een grote rol in een Lab on a chip.
Watermoleculen trekken elkaar aan, zogenaamde cohesie (samenklitten). Het
wateroppervlak vertoont hierdoor oppervlaktespanning: de buitenste laag vormt een
soort vliesje dat de druppel in een bolvorm probeert te trekken.
Op moleculair niveau trekken twee watermoleculen elkaar elektrisch aan.
Wanneer het gaat om de aantrekkingskracht tussen moleculen van twee verschillende
stoffen, spreekt men van adhesie. Als deze adhesie sterker is dan de cohesie wordt het
water tegen de wand getrokken en spreidt zich daardoor uit.
Een waterdruppel op een horizontale glasplaat zakt uit door de adhesie (adhesie >
cohesie). Maak je dit glasoppervlak vettig, dan zakt de waterdruppel niet meer uit
(cohesie > adhesie)
In een nauwe glazen buis (capillair) is er zoveel adhesie tussen de vloeistof en de wand
ten opzichte van de interne cohesie van de vloeistof, dat de vloeistof in de buis
getrokken wordt. Dit noemt men de capillaire werking. Dit proces kan ook andersom
werken, wanneer een waterafstotend buisje gebruikt wordt.
Van het feit dat de cohesie tussen watermoleculen onderling groter is dan de adhesie
tussen watermoleculen en olie, wordt gebruikt in een druppelplatform. In dit chipje
kunnen waterdruppeltjes gemaakt worden door ze in olie te spuiten. De druppels
kunnen gebruikt worden als vervoerders van losse cellen. Zo kun je verschillende
druppels (en dus cellen) samenvoegen waarbij je bijvoorbeeld kunt controleren wat de
effecten zijn en of het een bepaalde cel uitschakelt.
Voor een vloeistofstroom gelden wetmatigheden. De besproken wetten hoef je niet te
kennen, maar helpen wel in het begrip van de werking van een Lab on a chip.
Omdat er nergens vloeistof verloren gaat, is het debiet overal even groot, waardoor Av
gelijk is. Bij de stroming van links naar rechts geldt dan: A1v1 = A2v2.
Er zijn twee soorten stromingen, turbelente of laminaire. Bij een turbelente stroming
treden er draaiing op, terwijl bij laminaire stroming de vloeistof overal in dezelfde
richting beweegt. In een buis ondervindt de vloeistofstroom altijd wrijving van de
wanden van de buis, waardoor de stroomsnelheid hier kleiner is. Omdat het bij een Lab
on a chip om hele kleine buisjes gaat, is hier sprake van een laminaire stroming. Het
probleem van zo’n stroming is dat er geen menging plaatsvindt. Er moeten dus
turbulentie plaatsvinden. Om te bepalen of in een stroombuis turbulentie optreedt, kan
2𝑟𝑝𝑣
het Getal van Reynolds (Re = 𝜂 ) gebruikt worden. Wanneer dit getal een kleine
waarde heeft is de stroming laminair, bij een grote waarde is er turbulentie. Het getal is
namelijk een verhouding tussen traagheid en viscositeit.
Om te mengen heeft het domweg samenvoegen van drie kanaaltjes geen zin. De
turbulentie moet bevordert worden. Naast de aanpassing van de doorsnede van het
kanaal, kan dit ook op een andere manier. Een proces dat voor menging zorgt is diffusie.
Hierbij migreren deeltjes van een hoge concentratie naar een lage. Dit proces is
afhankelijk van de temperatuur, de grootte van de moleculen en de eigenschappen van
Δ𝐶
het medium waarin diffusie plaatsvindt (wet van Fick, J = -DΔ𝑥 ).
Het begrip kracht wordt nauwelijks gebruikt bij vloeistoffen in een Lab on a chip, er
𝐹
wordt veelal gesproken over de druk. Hiervoor geldt: p = 𝐴 = aantal newton per
vierkante meter. Voor de druk in een vloeistof geldt: p = 𝜌gh.
Een vloeistof stroomt niet vanzelf, hier is een drukverschil voor nodig. Wanneer de druk
hoog is, is ook het debiet hoog.
Voor het debiet voor laminaire stroming geldt: Q =
Herschreven levert dit: Q =
Δ𝑝
8𝜂𝑙
)
𝜋𝑟4
(
=𝑅
Δ𝑝
ℎ𝑦𝑑𝑟
𝜋𝑟 4 Δ𝑝
8𝜂𝑙
.
.
Om iets te kunnen meten in een Lab on a chip is vaak elektronica nodig. Om stroom te
laten lopen, is een stroomkring nodig. Zuivere vloeistoffen laten geen elektrische stroom
door, het zijn isolatoren, zo ook water. Echter, wanneer er een zout oplost in water, is
het wel elektrisch geleidend. In zo’n oplossing worden elektroden gehangen. Deze zijn
verbonden met een stroombron. De elektrode verbonden aan de pluspool is de anode,
de elektrode aan de minpool is de kathode. Wanneer de spanning voldoende hoog is,
treedt er een reactie op aan het oppervlak van de elektrode.
In een vloeistof waar elektrische stroom doorgaat, beweegt daadwerkelijk materie. De
negatieve deeltjes (anionen) bewegen de tegengesteld aan de positieve deeltjes
(kationen). Behalve ionen kunnen met elektrische spanning ook cellen of andere
deeltjes elektrisch voortgestuwd of vastgehouden worden (elektroforese).
Om de elektrische weerstand tussen elektrode A en elektrode B te bepalen, moet er een
spanning aangesloten worden. Deze spanning moet vervolgens gemeten worden. Voor
𝑈
de elektrische weerstand geldt: R = 𝐼 . Bij een vloeistof spreekt men niet van de
𝐼
weerstand maar van de geleidbaarheid (G = 𝑈).
Om te voorkomen dat er gaswikkeling ontstaat doormiddel van elektrolyse wordt er in
plaats van gelijkspanning gebruikgemaakt van wisselspanning met hoge frequenties en
hoge spanning. Echter, voor een wisselspanning kun je niet zomaar de wet van Ohm
uitrekenen. Hier spreekt men van impedantie, in plaats van weerstand. Voor echte
concentratiemetingen wordt eerst een testvloeistof met bekende concentraties door de
chip geleid, om daarna bijvoorbeeld de lithiumconcentraties te bepalen.
De Lab on a chip wordt veelal gebruikt voor het bestuderen van wat er in een vloeistof
gebeurt of aanwezig is. De toevoer van de vloeistof geschiedt via openingen. De
stroomsnelheid van de vloeistof is afhankelijk van de manier van toevoeren. De
vloeistofstroom kan tot stand komen dankzij de capillaire werking van het kanaaltje in
de chip. Echter, omdat de weerstand vaak zo groot is, wordt er meestal een pompje
gebruikt. Hierdoor wordt de druk al gauw hoog, maar blijft de snelheid zo klein dat de
stroming laminair blijft.
Goud-nanodeeltjes worden gemaakt door een chemische reactie van goudchloride en
een reductor. Door de stoffen in een erlenmeyer in kokend water te mengen worden
goudionen omgezet tot vast goud. Dit proces is ongestuurd, waardoor er gouddeeltjes
van verschillende grootten ontstaan. Het regelen van snelheid van opwarming en
afkoeling blijkt van groot belang voor de juiste afmeting van de nanodeeltjes.
Om deze reactie heel precies in de hand te houden, is een Lab on a chip geschikt. Hier
kunnen de ideale omstandigheden gecreëerd worden. Opvallend is het verschil in
afmetingen en spreiding van de diameter van de ontstane goud-nanodeeltjes tijdens
een Lab on a chip of in een laboratorium.
Het elektrische veld van licht is in staat om interactie aan te gaan met geladen deeltjes,
zoals de elektronen die in materie zitten. Energie uit de elektrische velden van het licht
wordt uitgewisseld met de energie van de elektronen. Hoeveel energie wordt
uitgewisseld hangt af van de plaats (schil) van het elektron in het atoom. Bij een
goudstuk wordt de energie die past bij het licht van de blauwe golflengte door
elektronen geabsorbeerd, de rest wordt gereflecteerd, waardoor het eruitziet als geel.
Nanodeeltjes kennen echter naast absorptie ook oppervlakte plasma resonantie als
gevolg van de invallende straling op een deeltje. Welke golflengte gebruikt wordt hangt
af van de grootte van het deeltje. Goud-nanodeeltjes absorberen dan ook groen,
waardoor ze rood van kleur zijn.
Door de absorptie van licht worden nanodeeltjes verwarmt en kunnen ze cellen doden.
De goud-nanodeeltjes kunnen aan allerlei moleculen hechten, zo ook aan tumorcellen
waardoor deze selectief kunnen worden gedood.