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.
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 practicumkoffer Lab on a chip
Laminaire stroming
De chiphouder en een van de pompen uit de practicumset Lab on a chip
Lesmaterialen NLT
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
Lab on a chip maken
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
Complexe structuren maken met 3Dprint filament en PDMS
Blood chip: detectie van cellen en stoffen met een LoC
Goedkope chip voor sorteren van bloedcellen
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
Het arrangement Lab on a chip - laboratorium op microformaat 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
2021-11-22 14:39:42
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.
