Thuis
Contacten

    Hoofdpagina


Hoofdstuk 1: Ontstaan en betekenis van Lab on a chip

Dovnload 27.26 Kb.

Hoofdstuk 1: Ontstaan en betekenis van Lab on a chip



Datum01.08.2017
Grootte27.26 Kb.

Dovnload 27.26 Kb.

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

m

nm

m3

dm3

cm3

mm3

m3

nm3

kL

L

cL

mL

L

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:

  1. hoe groot het minimale aantal zaadcellen per ml dient te zijn;

  2. hoe beweeglijk de zaadcellen dienen te zijn;

  3. 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 lipide-membraan, 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.

  1. 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.

  2. 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 het Getal van Reynolds (Re = ) 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 het medium waarin diffusie plaatsvindt (wet van Fick, J = -D).


Het begrip kracht wordt nauwelijks gebruikt bij vloeistoffen in een Lab on a chip, er wordt veelal gesproken over de druk. Hiervoor geldt: p = = aantal newton per vierkante meter. Voor de druk in een vloeistof geldt: p = gh.

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 = = .
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 de elektrische weerstand geldt: R = . Bij een vloeistof spreekt men niet van de weerstand maar van de geleidbaarheid (G = ).

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.

  • Hoofdstuk 2: Geschiedenis en kenmerken van Lab on a chip
  • Hoodfstuk 3: Klein, kleiner, micro en nano
  • Hoofdstuk 4: Vier Lab on a chip’s nader bekeken
  • Hoofdstuk 5: Technologie en Natuurwetenschap in de Lab on a chip

  • Dovnload 27.26 Kb.