9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
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
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
Prof. Albert van den Berg
UNIVERSITEIT TWENTE.
Microlaboratorium
2
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
Gemaakt in Nanolaboratorium: prins Willem Alexander op 5 november 2010 bij opening nieuwe nanolab
UNIVERSITEIT TWENTE.
Inhoud
• Lab on a Chip: wat en hoe • Demonstratie lespakket • Bekijken van experimenten in de module
3
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
Lab on a Chip, wat en hoe?
LoC research in Twente, NL
4
9/21/2012
Afmetingen
m m3 kuub
dm
cm
dm3 cm3 L mL
mm mm3 µL nL
µm pL
Volumes
fL
5
9/21/2012
Stroomsnelheden • Rijn:
2200 m3/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!
Rhyd , square
P 16L Q 9( w 2) 4
Waarom Lab-on-Chip?
6
9/21/2012
Waarom Lab-on-Chip? Oppervlakte / volume ratio Interactie met de wand ↑ Diffusie speelt kleinere rol Voorbeeld 1: Medicijnen testen op chip
ratio
• • • •
10
8
10
6
10
4
10
2
0
10 -6 10
10
-4
m
10
-2
10
0
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
9/21/2012
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
9/21/2012
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:
Rtot 2
d gl k gl A
d air k air A
Air
Glass
T1
Glass
T Q Rtot t
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 18 Small dots – nucleotides (A,C,G,T) 9/21/2012
9
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
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
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
“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 (10-100 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
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
• Op school
UNIVERSITEIT TWENTE.
Houder voor ‘standaard’ LoC chips van Micronit Robuust Chip wisselen is eenvoudig Slangen vooraf te bevestigen
12
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
Chips met verschillende functies meegeleverd Slangen makkelijk plaatsen direkt vast Koppelstukken voor spuiten en spuitenpomp
Fabricagetechnieken
13
9/21/2012
Intro: Lithografie 1. 2. 3.
Een fotogevoelig polymeer (resist) wordt op een wafer gespind. Vervolgens belicht m.b.v. een masker. 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
9/21/2012
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
9/21/2012
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
9/21/2012
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
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
Prototype practicumset
UNIVERSITEIT TWENTE.
Houder voor ‘standaard’ LoC chips van Micronit Robuust Chip wisselen is eenvoudig Slangen vooraf te bevestigen
18
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
Chips met verschillende functies meegeleverd Slangen makkelijk plaatsen direkt vast Koppelstukken voor spuiten en spuitenpomp
UNIVERSITEIT TWENTE.
• 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
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
UNIVERSITEIT TWENTE.
• Op school
20
9/21/2012
UNIVERSITY OF TWENTE.
• Demonstratie Wijn in H-reactor Laminair stromend
21
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
Inhoud
• Lab on a Chip: wat en hoe • Lab on a Chip module ontwikkeling: – Leerlingtekst – Docentenmateriaal – Practicumset – Website www.labochip.nl – Serious games (RU Groningen)
22
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
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)
UNIVERSITEIT TWENTE.
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
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
• 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
UNIVERSITEIT TWENTE.
Meer info: NVOX, november 2011
24
9/21/2012
UNIVERSITEIT TWENTE.
Contact en informatie
[email protected] (project algemeen)
[email protected] (practicumset) www.beta-oost.nl (vakken, nlt)
UNIVERSITEIT TWENTE.
• Demo en zelf doen – Opstelling 1 Laminaire stroming – Opstelling 2 Mixerchip en druppelchip
25
