Lab on a chip is een snel groeiende toepassing van micro- en nanotechnologie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van vloeistoffen zodat een laboratorium op microformaat ontstaat. Voor gezondheidszorg, chemie of milieubescherming worden steeds meer toepassingen zichtbaar. Door het kleine formaat kan het laboratorium op de plek komen waar de bepaling gedaan moet worden. In de huiskamer, bij de sloot of in de stal worden nu metingen gedaan waarvoor eerder de monsters verzameld en bij het laboratorium onderzocht moesten worden.
Meenemen is makkelijk, maar een belangrijke verbetering is ook de nauwkeurigheid van de meting. Waar mensen en apparaten kleine of grotere fouten maken, doen Lab on a chips veel nauwkeuriger hun werk. Omdat de chip er telkens hetzelfde uit ziet zal een meting in Amsterdam hetzelfde verlopen als in Atlanta of Alexandrië. Ook is het niet nodig om een opgeleide analist het werk te laten doen, dat kan iedereen.
Lab on a chip heeft hiermee veel voordelen. Maar de ontwikkeling is nog maar net begonnen. Voor veel toepassingen zijn nog geen Lab on a chips beschikbaar. Onderzoekers van nu werken aan de Lab on a chip van morgen. Als je de principes en bouwstenen kent is het mogelijk om allerlei toepassingen te ontwerpen.
De module Lab on a chip laat je kennismaken met de manier waarop Lab on a chip ontworpen en gemaakt wordt. Principes omzetten in een werkende toepassing is de rode draad in het lesmateriaal. Door het uitvoeren van praktisch werk ontdek je wat Lab on a chip is en doet en welke bijzondere eigenschappen vloeistof op kleine schaal heeft.
Een toegankelijke methode om zelf een Lab on a chip te maken uit folie is beschreven in de werkwijze KNIP-chip. Dit werkblad mag worden afgedrukt voor gebruik in de les, maar is auteursrechtelijk beschermd.
Ziekenhuizen, waterzuivering, landbouw en talloze andere sectoren hebben belang bij kleine, draagbare meetapparaten waarmee bepalingen in vloeistoffen gedaan worden. Nu moet een patient bijvoorbeeld naar de huisarts of het ziekenhuis om bloed te laten afnemen. Het buisje wordt opgestuurd naar het laboratorium, daar wordt een serie metingen gedaan, en een aantal dagen later ligt een formulier met uitslagen bij de arts. De patient moet dan gebeld worden voor verder onderzoek of de behandeling wordt gestart of gewijzigd. Al met al kost dat veel tijd, menskracht en geld. Zou het mogelijk zijn dat de metingen, zoals die in het laboratorium gedaan worden, in een klein apparaat te doen dat een patiënt gewoon bij zich heeft? Dus net zo eenvoudig als bloedsuiker meten door een klein druppeltje bloed in het apparaat te doen en een paar minuten laten de uitslag te krijgen?
Een lab on a chip is een laboratorium op microformaat. Door de ontwikkeling van Lab on a chip is het in steeds meer gevallen mogelijk om op deze manier iets over de gezondheidstoestand van iemand (jezelf) te weten te komen. Een belangrijk voordeel van Lab on a chip is de betrouwbaarheid van de metingen. De chip en de meetapparatuur doen het werk. Omdat de chips heel precies en allemaal gelijk gemaakt zijn is daardoor de onnauwkeurigheid stukken kleiner. De uitslag is er snel en precies, en kan veel vaker gedaan worden, ook tijdens het werk, in de auto of op bed.
In de module worden enkele toepassingen beschreven. Er wordt gewerkt aan Lab on a chip voor het meten van Lithium in bloed van patienten die behandeld worden tegen depressie. Of minilabs voor metingen aan spermacellen, calcium in melk, natrium in urine, vervuiling in drinkwater of .... Talloze toepassingen.
Zoals nu de meeste mensen een mobiele telefoon bij zich hebben, die werkt met electronica, hebben straks veel mensen een lab on a chip bij zich. Zo'n lab werkt met vloeistoffen, electronen en licht. Het is nog lang niet zover als met electronica, maar de ontwikkelingen gaan wel razendsnel. Op dit moment werken onderzoekers en bedrijven aan een hele serie toepassingen. Nieuwe technieken worden gebruikt om op een creatieve manier oplossingen te bedenken voor allerlei praktische situaties.
Welkom in de wereld van Lab on a chip, laboratorium op microformaat.
Medimate chip voor ionen-electroforese
Lab on a chip in folie gesneden
Onderwijsproject
Waarom Lab on a chip?
Lab on a chip gaat over systemen die werken met zeer kleine hoeveelheden vloeistof. Dit wordt ook wel microfluica genoemd.
Eerst maak je kennis met medische toepassingen waaraan nog volop onderzoek wordt gedaan.
Het bepalen van Litium of Calcium in bloed, de spermachip en de nanopil voor opsporen van darmtumoren. Lab on a chip maakt het mogelijk dat mensen thuis metingen doen die anders in het ziekenhuis gedaan moesten worden.
Als je weet hoe een Lab on a chip in elkaar zit en hoe vloeistoffen op kleine schaal zich gedragen, kun je gaan nadenken over nieuwe toepassingen. Daarbij is het nuttig om zelf ook wat praktisch werk te doen met echte Lab on a chips. Bij de module is daarom een complete prakticumset ontwikkeld waarmee een serie experimenten kan worden gedaan.
De TCB chip, een meetchip ontwikkeld voor de educatieve Lab on a chip koffer
Schema van de Medimate chip
Practicumkoffer Lab on a chip
De practicumkoffer Lab on a chip
Laminaire stroming
Bij de NLT module Lab on a chip is een practicumkoffer ontwikkeld waarmee leerlingen zelf experimenten kunnen uitvoeren. De chips die gebruikt worden zijn voorzien van de standaard aansluiting die ook voor onderzoek en industrie gebruikt wordt. Een deel van de fluidische chips is speciaal voor de practicumkoffer ontwikkeld. De belangrijkste principes kunnen door de leerling zelf gemeten en bekeken worden. De verschijnselen in de glazen chips laten zich met de microscoop gemakkelijk bekijken.
In de module Lab on a chip komen de volgende experimenten en de achterliggende theorie aan bod:
1. Microscopie van de lithiumchip van Medimate is bedoeld op te laten zien hoe een complete chip er uit ziet. Kanaaltjes, electrische contacten en een expansievat, allemaal nodig om de chip zijn werk te laten doen.
2. De H-reactor illustreert de laminaire stroming.
3. De mixerchip laat zien hoe vloeistoffen op kleine schaal gemengd kunnen worden.
4. Met de druppelchip worden heel nauwkeurig kleine en precies gelijke druppels of belletjes gemaakt.
5. Een E-chip heeft vloeistofkanalen en electrische contacten, en is bedoeld voor het meten van geleidbaarheid, tellen van cellen en het sorteren van deeltjes. Bij deze chip is een speciale versterker - meetunit gebouwd, de LockIn amplifier.
De principes uit deze practica kunnen vervolgens gebruikt worden bij het ontwerp van eigen chips.
De practicumset is te leen bij Beta Steunpunt Oost (www.beta-oost.nl) voor gebruik op school. Deze, en meer complexe, proeven kunnen worden uitgevoerd in het Twente Academy Leerlingenlab bij de Universiteit Twente.
Op het tabblad Lesmaterialen VWO kun je de gecertificeerde VWO module Lab on a chip (versie 1.2, augustus 2018) ophalen.
De chiphouder en een van de pompen uit de practicumset Lab on a chip
Een Lab on a chip wordt meestal samengesteld uit verschillende lagen, tenminste twee.
Het materiaal is dan glas (waarin gaatjes en kanalen worden gemaakt met etsen of poederstralen), siliconenrubber (zoals PDMS, dat op een mal wordt gegoten en daarna afgedekt met een andere laag PDMS, glas of kunststof), plexiglas en andere kunststoffen. Ook uit folie, zoals lamineerfolie, kunnen (tamelijk grove) Lab on a chips worden gemaakt.
Afhankelijk van het gekozen materiaal moeten de lagen nauwkeurig op elkaar gelegd worden. Ook moeten de oppervlakken zeer schoon zijn, zodat de lagen goed hechten. Je kunt je voorstellen dat een stofje tussen twee glasplaatjes zorgt dat de oppervlakken elkaar niet meer goed raken. Vandaar dat bij de productie van zulke Lab on a chips gebruik gemaakt wordt van een zeer schone ruimte (cleanroom).
PDMS is een flexibel materiaal, dat iets minder gevoelig is voor stofjes. Maar hier kan een dun laagje vuil ervoor zorgen dat het materiaal minder goed hecht aan een hard oppervlak. PDMS is niet schadelijk en heeft E-nummer 900. Het wordt als antischuimmiddel gebruikt. Voor LoC toepassingen wordt het polymeer uitgehard, zodat het stevig en flexibel wordt. Het laat gassen (zuurstof, koolstofdioxide) door, reageert niet en is vriendelijk voor cellen. PDMS producten zijn niet zo langdurig te gebruiken.
Lab on a chip houder in bedrijf
Zelfgemaakte Laser-chip
De lasersnijder aan het werk met Lab on a chip uitsnijden
Chemicaliën en reagentia zijn soms erg duur. Met schaalverkleining valt daarom winst te behalen. Microfluïdics! Kan in kleine kanaaltjes, reactor ter grootte van een postzegel. Gaat vaak automatisch en snel. De chips zijn echter nog wel duur. Daarom gezocht naar goedkope alternatieven. Dit biedt mogelijkheden voor toepassing in arme landen of afgelegen gebieden om ziekteverwekkers op te sporen bijvoorbeeld.
Papier (of beter: filtreerpapier) kan gebruikt worden als microfuïdisch materiaal, De voordelen worden opgesomd: hydrofiel, patronen zijn eenvoudig te maken, het kan opgesloten worden in een hydrofobe omgeving, door capillaire werking is geen pomp nodig (dit wordt een passief systeem genoemd), kan klein zijn, is draagbaar en disposable. Het is eenvoudig te verspreiden en te gebruiken, is last but not least ook goedkoop.
Behalve papier is het ook mogelijk gesneden kanaaltjes in plastic folie te maken, wat met plakband wordt afgewerkt.
Allereerst wordt een methode beschreven waarbij in papier met waskrijt een hydrofobe barrière gemaakt wordt, door een lijn van waskrijt te verwarmen. Dit geeft overigens niet erg fijne patronen omdat de was erg uitloopt.
Methode 1 waskrijt op papier microfluïdics
Werkwijze:
Teken op filtreerpapier dunne maar stevige lijnen, desnoods eerst een potloodlijntje voor het ontwerp. Het stevige papier van cleanroom wipes voldoet. Een liniaal gebruiken is aan te bevelen. Verwarm het een of twee minuten in de magnetron. De was smelt en trekt in het papier. Op de plaatsen waar was zit kan geen water komen.
Zoals eerder gezegd, het maken van erg fijne patronen valt tegen omdat de was uitloopt. Ook treedt verzadiging op als de kanalen vol zijn en kan het gaan lekken.
Het is wel geschikt om een vloeistof buiten of juist binnen een gesloten gebied te houden.
Methode 2: de papier-plakband methode
Dit is een eenvoudig uit te voeren methode met een nieuwe dimensie: meerdere lagen maken die onderling verbonden kunnen worden.
Het werkt als volgt: Plak het gewenste patroon dunne reepjes filtreerpapier op plakband. Door een gaatje in de volgende laag, die er bovenop komt, kan de vloeistof verder stromen in de nieuwe laag. De afbeeldingen geven weer hoe het werkt:
Een snij mat met cm=verdeling en een hobby-mes is erg handig!
En natuurlijk is het niet beperkt tot twee lagen.
Het lastigste is het in lijn brengen van de kleine strookjes en de gaatjes.
Een voorbeeld van de stroming door bovengenoemde 3D chip
De snelheid waarmee de vloeistof stroomt kun je met een pomp regelen, maar dit is een passief systeem, zonder pomp. Toch is het mogelijk de snelheid te beïnvloeden. Er is verschil in loopsnelheid bij verschillende soorten filtreerpapier. Je kunt ook een tissue gebruiken of een koffiefilter. Verder blijkt het van invloed te zijn of de vezels in de lengte-richting of dwars liggen, de looprichting van het papier.
In een dergelijk figuur kan de loopsnelheid in relatie tot de vezelrichting vergeleken worden.
Methode 3
Het is mogelijk kanaaltjes te maken door drie lagen plastic op elkaar te plakken met eenvoudig materiaal als plakband en overheadsheet. Het kan ook met dubbelzijdig plakband en sheet, maar de eerste is eenvoudiger. Opnieuw is een plaatje beter dan veel woorden:
Ontwerp eerst een patroon, teken en knip het uit de stevige folie en plak het op plakband. Plak er ook plakband bovenop waar een gaatje in zit. Let wel: Het kan alleen in een capillair kanaal stromen als het eind open is. Dit gegeven kun je gebruiken door een kanaal eerst af te sluiten en pas te openen als je dat wilt.
Het blijkt ook mogelijk om een kanaal te maken door de folie met een niet scherp voorwerp alleen maar in te deuken op een stevige ondergrond. Het is echter lastig om een kanaal te maken van constante diepte. Als je de folie helemaal doorsnijdt met een hobbymes is de vorm van het kanaaltje vaak wel constant.
In een dergelijk patroon kun je een monster verdelen over verschillende punten zodat meerdere tests uitgevoerd kunnen worden.
Transport in Lab on a chip met geluid (Universiteit van Michigan)
Labs on Chips - Johns Hopkins University
Blood chip: detectie van cellen en stoffen met een LoC
Complexe structuren maken met 3Dprint filament en PDMS
Goedkope chip voor sorteren van bloedcellen
Nanofluidics in Lab on a chips
Organen op chip (Organ on chip)
Lung on a chip
Nanodeeltjes
Praktisch werk: synthese van nanogoud
Hoe maak je goud-nanodeeltjes en hoe verandert de kleur?
De kleur van de nano gouddeeltjes is afhankelijk van de grootte en de vorm van de deeltjes.
Aan een kokende goudchloride-oplossing (A) wordt natriumcitraat oplossing (B) toegevoegd.
De goud nanodeeltjes (metaal) worden door citraat omringd en krijgen een negatief geladen buitenkant, waardoor ze elkaar afstoten. De vloeistof blijft helder, maar absorbeert licht van een golflengte in het zichtbare gebied.
Proef I
Veiligheid: werk met handschoenen aan en spoel de oplossingen zorgvuldig weg door de gootsteen. Breng in een bekerglas van 50 mL 20 mL van de goud-chloride oplossing aan de kook onder voortdurend roeren. Voeg 2 mL natriumcitraat-oplossing toe en blijf zachtjes koken. Het verdampte water moet steeds aangevuld worden tot 22 mL totaal.
De kleur van de kokende oplossing is diep rood.
Hoe verandert de kleur van de oplossing?
Stop met verwarmen en roeren en laat het afkoelen.
Proef II
Nodig: NaCl oplossing ca. 1 M (10 mL) en suikeroplossing ca. 1 M ook 10 mL, (vers bereid).
Uitvoering: neem vier buisjes met 3 mL goud oplossing van onderdeel I.
Voeg aan elke buis 3 mL demiwater toe. Meng steeds bij elke toevoeging.
Voeg aan een buis druppelsgewijs (5 a 10 dr) NaCl-oplossing toe, noteer de kleuren.
Voeg aan een buis druppelsgewijs suikeroplossing toe, noteer de kleuren.
Bedenk een andere oplossing om toe te voegen, zoals azijn bijvoorbeeld, Overleg eventueel met de leraar. Voorspel of de kleur zal veranderen.
Het vierde buisje is gemaakt om de kleur te vergelijken met de oorspronkelijke kleur.
De kleurverandering wijst op een andere vorm of deeltjesgrootte van de gouddeeltjes. Als de deeltjes samenklonteren en dus groter worden gaan ze licht absorberen van een grotere golflengte. De kleur zal veranderen van rood naar blauw. (een kleurenwiel kan dit inzichtelijker maken)
Stoffen
Mol/L
g/L
g/100 mL
Molmassa
H4AuCl4.4H2O
1.0*10-3
415*10-3
41*10-3
415
Na-citraat
38.3*10-3
10
1.0
252
NaCl
1.0
58.44
5.8
58.4
Suiker
1.0
342
34.2
342
Wat is nanogoud (EN)
Nanodeeltjes bij kankertherapie
Groei van AU deeltjes (lezing)
George Whitesides - lezing - lab the size of a stamp
Laminaire flow in stroperige vloeistof
Maken van een laminaire flow in stroperige vloeistof / gekleurde zeep
Docentendeel en ontwikkeling
TCB chip en electronica
We hebben daarmee helaas niet het door ons beoogde resultaat behaald. We hebben de beads gecontroleerd langs de elektroden laten gaan maar we bleken er niet toe in staat om uit de meetresultateneen corresponderend verschijnsel te vinden.
We hebben meerdere instellingen van de software gebruikt en ook hogere en lagere concentraties met beads.
We hebben wel een verschil weten waar te nemen tussen een 0.3M KCl oplossing met beads, demiwater en lucht. Tevens hebben we geconstateerd dat het aarden van de chiphouder leidde tot een factor 10 ruisreductie; we weten alleen niet zeker of we daarmee ook het signaal zouden hebben gereduceerd.
Voor de beeldvorming staan hieronder twee blauwe linkjes. Het ene is een filmpje wat gemaakt is met de microscoopen waarin de deeltjes langskomen, het andere is een filmpje wat indicatief is voor de manier waarop we dit hebben aangepakt.
Aan deze aanpak dient wel te worden toegevoegd dat we de tijdstippen waarop de deeltjes passeerden hebben genoteerd en later in matlab de meetresultaten hebben geanalyseerd, ook dat leverde geen uitsluitsel op.
Als het goed is heeft Lucas wel de meetresultaten, mocht iemand die willen zien.
Ik heb sinds vandaag het tellen van beads in de E-chip aan de praat en er is onderhand een handleiding voor te vinden in de Dropbox map met handleidingen. Deze is nog niet klaar, maar in principe zou deze wel genoeg moeten zijn om de proef uit te voeren. Hiervoor zal er wel een kabel met krokodil connectoren nodig zijn om de ruis te onderdrukken en daadwerkelijk te kunnen meten.
Verder is het misschien handig op den duur de chips (of de plastic houders) te nummeren zodat mensen kunnen opschrijven wat hun bevindingen waren per chip. Er zijn er namelijk nogal wat die met vezels wat verstopt zitten en daar kom je liever achter voordat je probeert de boel aan de praat te krijgen. Dus als dit soort dingen in een soort van logboek bijgehouden kunnen worden lijkt dat me een nuttige toevoeging.
Met het kunnen sorteren in de chip ben ik nog bezig en ik weet niet geheel zeker of ik dat op tijd aan de praat krijg.
En niet te vergeten een soort van klem om de chiphouder vast te zetten op de microscoop als gebruik van de microscoop gewenst is. Scheelt een boel prutsen.
Het nadeel aan een demo is trouwens dat er op het moment nog een deels onbepaalde wachttijd in zit, omdat de pompen in de LOC koffer te snel gaan moet er gewoon (veel) druk gezet worden op een spuit met beads en dan is het maar afwachten wanneer ze traag genoeg voorbij beginnen te komen om te zien/meten. Dat duurt een aantal minuten, maar op het moment heb ik nog geen exacte indicatie van het aantal minuten. (Daarvoor heb ik de proef (nog) niet vaak genoeg herhaald.)
Verder is het zo dat bij het in gebruik nemen van de proef er nog wat zaken bij moeten komen, vermoed ik zo.
-De microscoop geeft ruis, dus er moet een krokodillenbek kabeltje bij om de mantel/aarde van de aanstuurprobe met het metaal van de microscoop te verbinden tegen de ruis. -Verder zou er nog een echte klem bij moeten om de chiphouder vast te zetten op de microscoop aangezien de aansluitkabels en slangetjes anders voorkomen dat hij netjes vlak op zijn plek blijft liggen. -Daarnaast kan het nuttig zijn om een ander protocol te bedenken voor het schoonmaken van de chips. Redelijk wat van de kanalen die gebruikt worden voor het scheiden, zit iets van troep (vaak vezelachtig) in bij de plitsing. Ik krijg het er niet uitgespoeld met water, ethanol of aceton. Ook heb ik een ultrasoonbad geprobeerd, maar dat loste voor die vezels natuurlijk niet zo heel veel op.
Verder is het bij het sorteren zo dat die proef niet optimaal werkt, omdat de elektroden oplossen bij spanningen waar bij je ook echt iets ziet gebeuren.
Wat betreft de aarding is het een beetje afhankelijk van het apparaat waar die aan komt te zitten, maar het mooiste zou zijn als zowel de behuizing van het meetapparaat als de microscoop een stekkercontact krijgen waar dan een aardkabeltje in gestoken kan worden. Iets minder chique zou je tussen de meetprobes en het apparaat een verloopje kunnen steken waar dan ook een aardcontact heeft (kabel of echt stekkercontact) dat dan op een of andere manier verbonden moet worden met de microscoop. Alleen zou dit in theorie signaalverlies moeten geven. Ook al verwacht ik niet dat dat significant veel is met deze metingen.
Echte cellen heb ik verder nog niet getest, maar het is daarvoor ook relevant wat de "achtergrondvloeistof" is. Hoe groter het contrast in geleidbaarheid tussen de vloeistof en het de sturen object, hoe sterker het effect.
Beta Steunpunt Oost
Website van Beta Steunpunt Oost - de samenwerking van Saxion, Universiteit Twente en Windesheim met scholen voor VO in Oost Nederland
Het arrangement Labochip.nl - BRONARRANGEMENT is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteurs
Digitaal Redacteur
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2023-11-11 21:45:19
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
Basisversie, bedoeld om selecties uit te publiceren
Leerinhoud en doelen
Natuur, leven en technologie;
Technologische ontwikkeling;
Wisselwerking tussen natuurwetenschap en technologie;
Gezondheid, bescherming en veiligheid;
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
Oefeningen en toetsen
test
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Oefeningen en toetsen van dit arrangement kun je ook downloaden als QTI. Dit bestaat uit een ZIP bestand dat
alle
informatie bevat over de specifieke oefening of toets; volgorde van de vragen, afbeeldingen, te behalen
punten,
etc. Omgevingen met een QTI player kunnen QTI afspelen.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
Proefhandleiding TCB chip
