Odijk verrichtte zijn onderzoek aan de vakgroep Biochemical and Environmental Sensorsystems (BIOS). Dat hij ‘techneut’ zou worden, was al heel vroeg duidelijk, vertelt hij. “Van jongs af aan was ik altijd dingen aan het slopen. In het begin ging ik dan naar mijn vader, die zette het weer in elkaar. En vrij snel was ik daar zelf ook mee bezig, ik was bij wijze van spreken meer tijd kwijt met het in en uit elkaar halen van speelgoed dan ermee spelen. Ik was ook een grote fan van Lego. En als je me vroeg wat ik wilde worden, zei ik: ‘uitvinder’.”
Een studie elektrotechniek aan de Universiteit Twente paste daar goed bij. Maar ambitie om daarna door te gaan in wetenschappelijk onderzoek had Odijk niet direct. “Dat is pas veranderd tijdens mijn stage, bij het IMEC in België, een instituut in Leuven waar ze naast heel veel andere dingen werkten aan organische zonnecellen, gemaakt van geleidende plastics. Wat bij mij heel sterk geldt is: als ik een boek moet doorwerken, met droge stof die niet direct een toepassing heeft, dan heb ik daar redelijk wat moeite mee. Maar als je me een probleem voorlegt waarvoor een bedrijf een oplossing zoekt, en ik moet daarvoor de kwantummechanica bestuderen, dan gaat het opeens een stuk beter. Dat was ook het geval bij mijn promotieonderzoek: omdat ik iets praktisch wilde bereiken, moest ik de theorie induiken.”
“Ik wilde graag iets praktisch bereiken; daarvoor moest ik wel de theorie induiken”
De opdracht waarmee Odijk zijn onderzoek begon was: een ‘laboratorium op een chip’ ontwerpen waarmee nieuwe medicijnen kunnen worden getest op veiligheid voor de mens. “De bestaande methode is ruwweg: levercellen kapot hakken, in een bekerglas, het medicijn erbij en dan kijken wat de reactieproducten zijn. Die producten kunnen giftig zijn, of juist actief op de manier waarop je wilt: heel vaak werken medicijnen via hun afbraakproducten.”
Leren van fouten
Wat de lever eigenlijk doet met de moleculen die hij via het bloed aangeboden krijgt, is een oxidatiereactie: een molecuul van het medicijn raakt een elektron kwijt aan een enzym in de lever, waarbij het uiteen kan vallen in diverse fragmenten. Het is chemie waar elektriciteit een centrale rol in speelt, en dat betekent dat je die ook met elektriciteit kunt opwekken en sturen. Dat is het principe van dit specifieke ‘lab op een chip’: twee elektroden waartussen een elektrische spanning staat, en een in- en uitgang voor vloeistof voor de te bewerken of te onderzoeken chemische stof.
Voorgangers van Odijk hadden dat al geprobeerd, maar niet met veel succes. “Hun chip werkte niet goed, maar dat ik van hun fouten heb kunnen leren, heeft me wel een enorme voorsprong gegeven. De uitdaging was de efficiëntie goed houden. De reacties vinden plaats aan het oppervlak van een van de elektroden, de werkelektrode, die elektronen afvoert. Je wilt dat je stof zo veel mogelijk met die elektrode in contact komt. Met andere woorden: de verhouding tussen oppervlakte en volume moet zo gunstig mogelijk zijn. Daar was veel aandacht aan besteed. Maar bij een elektrisch systeem werk je altijd met een gesloten kring. Je kunt die ene elektrode waar de reacties moeten gebeuren helemaal optimaal maken, maar de andere elektrode moet de stroom goed afvoeren. Daar was niet zoveel aandacht aan besteed, die was veel te klein gemaakt.”
Nog een probleem met die stroomafvoerelektrode kan zijn dat daar de omstandigheden omgekeerd zijn van die bij de werkelektrode, en dat daar dus ook de omgekeerde chemische reacties plaatsvinden. Stoffen die bij de ene elektrode ontstaan, verdwijnen dan weer bij de andere, en per saldo doet de chip dus minder goed zijn werk. Odijk kon dat probleem wegnemen door de vloeistofstroom in de chip te splitsen. Alle elektronen moeten uiteindelijk van de ene elektrode naar de andere reizen, daar zijn de wetten van de natuurkunde onverbiddelijk in, maar ze maken daarvoor gebruik van maar de helft van de vloeistof die door de chip stroomt. De andere helft komt de afvoerelektrode nooit tegen en heeft van die elektrochemische tegenwerking zodoende geen last.
Het bedenken en doorvoeren van die verbeteringen ging relatief snel. “Na het lezen van het rapport van mijn voorgangers had ik al heel snel een hypothese waarom hun chip niet werkte. Die hypothese werd inderdaad bij de eerste meting bevestigd, maar daarna heb ik uiteraard nog wel een stuk meer metingen gedaan met die chip om zeker te weten dat ik geen meetfouten maakte. Het proces van het fabriceren van chips is nogal kostbaar, dus je wilt wel zeker zijn van je zaak, voordat je de cleanroom in gaat. Daar maak je de chips, die test je dan weer. Binnen een jaar was dat afgerond. De metingen waren veelbelovend, die toonden aan dat het werkte. En toen was het doel van mijn promotie al na een jaar vrijwel bereikt. Dat gaf mij de kans het in de resterende jaren te verbeteren.”
Gevoelige sensor
Naast de chip voor medicijnanalyse maakte Odijk ook een andere chip, waarbij het effect van elektrochemische tegenwerking juist als voordeel wordt ingezet. “Als je de elektroden heel dicht bij elkaar plaatst, dan wordt op de ene elektrode stof a wel omgezet in b, maar op de andere wordt b weer omgezet in a. Een molecuul kan dat wel duizend keer doen in de tijd dat het in de chip is, maar dan zijn er dus ook duizend elektronen die door het circuit stromen en die je kunt meten. Daarmee heb je dus een heel gevoelige sensor voor die stof gemaakt.”
Bij een andere verbetering lag een jaar lang de focus op de ‘referentie-elektrode’. Dat is een derde elektrode in de chip, waar een constante spanning wordt afgeleverd die als ijkpunt dient voor de spanningen op de andere elektroden. Omdat de elektrische spanningen bepalend zijn voor welke chemische processen er op die elektroden plaatsvinden, stelt die referentie-elektrode je in staat in detail de werking van het ‘lab op een chip’ te beïnvloeden. Maar het is niet de bedoeling dat zich op het oppervlak van de referentie-elektrode weer chemische processen gaan afspelen, en daarom moet het materiaal daarvan met zorg worden gekozen. Tijdens deze fase in het onderzoek zat het even tegen, met het iridiumoxide dat op de omslag van het proefschrift staat.
“Ik maakte een dunne laag van iridium op de ondergrond van de chip. Maar die kwam er telkens afzetten, of raakte na een maand los. Dat was vervelend, want ondertussen was ik dan al bezig om daar complete chips van te maken. Kon ik weer terug naar de tekentafel.” Het bleek te komen doordat de machine die de dunne laag neerlegde, de temperatuur van het materiaal niet constant genoeg hield. Een nieuwe machine bracht uitkomst. Maar intussen was Odijk ook al gaan werken met andere materialen, die in theorie minder goed waren, maar wel gemakkelijker te verwerken.
De keuze van het basismateriaal is van groot belang voor de toekomst van laboratoria op chips. Odijk werkt daar nu verder aan in dezelfde vakgroep waar hij promoveerde: “Mijn chips zijn nu grotendeels van glas. Dat is relatief duur, en moeilijk schoon te maken. Een van de plannen die we hebben is, om plastic te gebruiken. We hopen dat chips daardoor zo goedkoop kunnen worden, dat schoonmaken niet meer nodig is: na één test gooi je ze gewoon in de prullenbak.”
Dit artikel verscheen in het STW-boekje Technologisch Toptalent 2012. Lees ook de andere artikelen:
Lees meer over lab-on-a-chip technologie op Wetenschap24:
- Slimme sensoren (Fast Facts)
- Nanopillen en minilaboratoria (Hoe?Zo!)
- Albert van den Berg bij Spinoza te Paard