Lab on a Chip onderzoek en onderwijs

Transcriptie

1 DELFT, 20 september 2012 Lab on a Chip onderzoek en onderwijs Voor NLT, biologie, natuurkunde en scheikunde Dr. Jan Jaap Wietsma UT Drs. Auke Cuiper, DOT Enkele gecertificeerde NLT modules voor VWO 1

2 Prof. Albert van den Berg Microlaboratorium 2

3 Gemaakt in Nanolaboratorium: prins Willem Alexander op 5 november 2010 bij opening nieuwe nanolab Inhoud Lab on a Chip: wat en hoe Demonstratie lespakket Bekijken van experimenten in de module 3

4 Lab on a Chip, wat en hoe? LoC research in Twente, NL 4

5 Afmetingen m dm cm mm µm m 3 dm 3 cm 3 mm 3 kuub L ml µl nl pl fl Volumes 5

6 Stroomsnelheden Rijn: 2200 m 3 /s Kraan: 5L/min. Chip: ~ 1µL/min. Druk door een vloeistofkanaal van 18cm lang, 30µm x 30µm (w x h) m.b.v. water bij 1µL/min: ~1 bar! R hyd, square P Q 16 L 9( w 2) 4 Waarom Lab-on-Chip? 6

7 Waarom Lab-on-Chip? Oppervlakte / volume ratio Interactie met de wand Diffusie speelt kleinere rol Voorbeeld 1: Medicijnen testen op chip ratio m Laminaire stroming Reynolds getal: Re=Q L/(ν A) Laminaire stroming als Re < 2300 Laminaire stroming rond fluidisch kanaal van 100µm diameter bij 1µL/min: Re=2E-5 Voorbeeld 2: Optofluidische lens 7

8 Grondstoffen Minder grondstoffen nodig Minder afval Voorbeeld 1: Medicijnen testen op chip Synthese nieuwe stoffen duur Isoleren van product lastig Voorbeeld 3: druppels als miniatuur-reageerbuis. Veiligheid Hoge druk chemie (300 bar), zonder de risico s Werken met giftige, of anderszins gevaarlijke stoffen zonder hoge risico s. 8

9 Betere (temperatuur) controle Transport van warmte kan op 3 manieren: Convectie, straling, geleiding In lab-on-chip systemen meestal geleiding Geleiding van warmte, gegeven door: T Q Air T1 R t tot Glass Glass R tot d gl d 2 k A k gl air air A T2 Voorbeeld 4: DNA analyse - PCR Polymerase Chain Reaction (PCR) Klein DNA fragment= Primer PCR= een methode om DNA en RNA te versterken Polymerase a complex of proteins Small dots nucleotides (A,C,G,T) 18 9/21/2012 9

10 Compleet lab in een koffer Lab on a Chip vormt de kern Pompen, schakelaars vloeistoffen: compact Promotieonderzoek Mattieu Odijk Hoge portabiliteit Point of care diagnostics Spermaonderzoek voor thuis Medimate Lithium tester Blue4green Melkziekte detector 10

11 Spermachip Promotieonderzoek Loes Segerink Relevant onderzoek Spreekt tot de verbeelding Terminologie: Fertiliteitchip, Voortplantingschip, Spermachip Lab-on-a-Chip systemen voor cellen Grootte van de strukturen vergelijkbaar met die van de cellen ( μm) - Experimenten met kleine hoeveelheden van cellen - Cellen gevangen dankzij microstrukturen - Volgen events in enkele cellen - Microfluidica = klein volumes => benadeert beter de in vivo omgeving 11

12 Op school Houder voor standaard LoC chips van Micronit Robuust Chip wisselen is eenvoudig Slangen vooraf te bevestigen 12

13 Chips met verschillende functies meegeleverd Slangen makkelijk plaatsen direkt vast Koppelstukken voor spuiten en spuitenpomp Fabricagetechnieken 13

14 Intro: Lithografie 1. Een fotogevoelig polymeer (resist) wordt op een wafer gespind. 2. Vervolgens belicht m.b.v. een masker. 3. Tenslotte ontwikkeld. Afhankelijk van het type resist verdwijnt het belichte / onbelichte stuk zodat de onderliggende laag weer bereikbaar wordt. Glas Kanalen worden ge-etst m.b.v. (B)HF, waterstoffluoride. Voordeel: Veel controle op diepte Nadeel: isotroop (etst in alle richtingen) Gaten en (grotere) kanalen worden ge-etst dmv poederstralen. Voordeel: snel Nadeel: Ruwe wand en minder precies 14

15 Silicium Zelfde technieken als bij glas, maar tevens RIE (reactive ion etching) Voordeel: anisotroop Nadeel: duur, ingewikkeld Bonding Direct bond: Glas-Glas Dmv verhitting en/of druk tot net onder de transitietemperatuur van glas. Anodisch bond: Pyrex Glas-Si Dmv sterk elektrisch veld en verhoogde temperatuur worden Naionen vanuit het glas in het silicium getrokken. Na afkoeling blijven de ionen zitten en blijft de landingsonbalans in tact. Bond wordt veroorzaakt door E-veld 15

16 PDMS PDMS is een flexibel polymeer. Meestal wordt het verwerkt als een soort 2-componenten lijm. Het nog vloeibare PDMS wordt op een mal van silicium en/of SU8 (soort fotoresist) gegoten, waarna het uithardt en van de mal kan worden afgepeld. De chip kan vervolgens op glas worden gebond. Chip bloed-brein-barriere Twee kruisende vloeistorkanalen Membraan er tussen Astrocyten uit brein groeien een laagje Lekkage meten door geleiding via electrodes Werkt prima, vergeleken met groot formaat standaardtest 16

17 Elektrodes Worden meestal op substraat gesputterd Voordeel: zeer goede controle dikte (op enkele nm nauwkeurig) Voordeel: Zeer veel materialen mogelijk, ook mengsels Nadeel: hechting Etc.. Dit overzicht is lang niet volledig, nieuwe fabricagetechnieken worden voortdurend ontwikkeld... Een stofvrije omgeving en goede cleaning van de wafers is van allergrootste belang. Het gemiddelde stofdeeltje is even groot als de structuren die we maken! 17

18 Prototype practicumset Houder voor standaard LoC chips van Micronit Robuust Chip wisselen is eenvoudig Slangen vooraf te bevestigen 18

19 Chips met verschillende functies meegeleverd Slangen makkelijk plaatsen direkt vast Koppelstukken voor spuiten en spuitenpomp Nu: werken met vloeistoffen en druppels Laminaire stroming Druppels vormen Mixen van vloeistoffen Flowpompen Chip bekijken met microscoop(je) Binnenkort: meten met electronica Electroforese Detectie van cellen of ionen 19

20 Op school 20

21 UNIVERSITY OF TWENTE. Demonstratie Wijn in H-reactor Laminair stromend 21

22 Inhoud Lab on a Chip: wat en hoe Lab on a Chip module ontwikkeling: Leerlingtekst Docentenmateriaal Practicumset Website Serious games (RU Groningen) 22

23 Ontwikkelteam NLT steunpunt Oost, Universiteit Twente, ELAN Dr. Jan Jaap Wietsma projectleider geschreven materiaal (module) Micronit Microfluidics B.V., Enschede Ing. Gunter Venhorst / Ir. Wilfred Buesink projectleider practisch materiaal Docent Ontwikkel Team drs. H.W. Velthuis, drs. K.H. Wieringa (Greijdanus, Zwolle); drs. A. Groenewold (Deventer), drs. A.W. Cuiper (Enschede), drs. T. Hillege (Holten), N.D. Chevalking MSc (Aalten) en drs. T. v.d. Voort, Apeldoorn. Experts Prof.dr.ir. Albert van den Berg, Dr.ir. Mattieu Odijk, dr.ir. Loes Segerink, (MESA+, BIOS) en Dr.ir. Evert Houwman, Saxion (opleiding Nanotechnology) Inhoud Module Lab on a Chip voor NLT vwo, later ook havo test in jan-feb 2012 practicumset Website.nl serious game RU Groningen 23

24 module en experimenten breder in te zetten experimenten ook bij biologie, scheikunde en natuurkunde te gebruiken de interessante proeven voor scheikunde en biologie vereisen electronica als vervolgstap Meer info: NVOX, november

25 Contact en informatie (project algemeen) (practicumset) (vakken, nlt) Demo en zelf doen Opstelling 1 Laminaire stroming Opstelling 2 Mixerchip en druppelchip 25