Wie is er niet nieuwsgierig als een huisarts een bloedonderzoek doet? Stel je voor dat hij simpelweg na het prikken in je vinger de bloeddruppel in een handzaam apparaat steekt en je daarna de uitslag vertelt voordat je weggaat. Chemici, biologen en ingenieurs hebben zich vol enthousiasme gestort op geminiaturiseerde apparaten. Dat doen ze niet alleen om de praktijk van de huisarts gemakkelijker te maken, maar ook vanwege de mogelijke winst in kwaliteit en tijd die kleinere afmetingen opleveren. Ze zoeken naar het laboratorium op een chip.

Het uitvoeren van experimenten op kleine schaal biedt vele voordelen. Er is minder tijd nodig voor de analyse en de verwerking. Bovendien vergen kleinschalige experimenten minder monster (bloed) en niet zoveel van die dure reagentia. De vraag is echter hoe je een laboratorium op een chip kunt maken. Net zoals in een groot laboratorium heb je reactievaten nodig, en buisjes waardoor vloeistoffen stromen. Bovendien moet de vloeistof wel op de gewenste manier door de buizen stromen. Hoe zorg je voor het microloodgieterswerk? Hoe verplaatsen de monsters zich en hoe scheid je de componenten in een monster? Er is veel interesse in het beantwoorden van deze vragen en het ontwikkelen van geminiaturiseerde systemen. De belangstelling voor het Human Genome Project en voor genenonderzoek in het algemeen vormt een belangrijke motivatie voor veel van dit onderzoek. Recent hebben diverse groepen geïntegreerde, geminiaturiseerde vloeistofapparaten gemaakt die een DNA-monster nemen, kopiëren en vervolgens analyseren.

Microkanalen

De basis van het maken van een lab-op-een-chip vormen de minuscule leidingen. Hoe maken we precies een klein vloeistofkanaal? Hoe klein is klein in dit geval? Om een idee te geven, een menselijke haar heeft een doorsnede van circa honderd micrometer (een tiende millimeter) en dat is zo’n beetje de bovengrens van de microkanalen. De onderlimiet is een paar micrometer – anders is het kanaal zo smal dat vloeistoffen er maar moeilijk door kunnen stromen. Om uit te zoeken hoe een kanaal van enkele tientallen micrometer doorsnede kan worden gemaakt, hebben chemici goed gekeken naar de microelektronicaindustrie. Daar is miniaturisatie een succesvolle en bewezen techniek. Deze technieken lijken op die waarmee Intel en AMD hun computerchips maken. Deze benadering van de fabricage maakt het mogelijk kleine apparaten te maken. Het werkt volgens een batchproces. De microlaboratoria komen dan niet aan de lopende band uit de fabriek, maar met een groot aantal tegelijk. Je bedekt allereerst een glasplaat met een dunne lichtgevoelige polymeerlaag. Daarna belicht je die laag door een masker met een bepaald patroon. Na de belichting verwijder je selectief de belichte delen van de laag – dat worden straks de kanalen. Op de onbelichte plekken blijft de polymeerlaag achter. De volgende stap is het etsen van het glas met waterstoffluoride. Deze agressieve vloeistof eet het glas weg waar dit onbedekt is, maar laat het onder de onbelichte polymeerlaag intact. Ten slotte verwijder je de restanten van de polymeerlaag en bedek je de glasplaat met een andere glasplaat. De microkanalen zijn klaar.

Pompen zonder druk

De volgende stap is het laten stromen van vloeistof door het microkanaal. Er zijn diverse methoden. De keuze hangt af van het uiteindelijke doel. De meest voor de hand liggende methode om vloeistoffen te pompen, is het aanleggen van een druk, net zoals in onze macrowereld. Dit werkt weliswaar, maar er zijn enkele nadelen. Als een kanaal kleiner wordt of als het obstakels bevat, stromen vloeistoffen er moeilijker doorheen. De toename van vloeistofweerstand betekent dat een hogere druk nodig is om de vloeistof toch te laten stromen. Op een bepaald punt kan de pakking tussen de pomp en het microkanaal de druk niet meer aan en barst die. De toepassing van druk zorgt er ook voor dat vloeistoffen in het centrum van een kanaal sneller stromen dan langs de wand. Als je een klein monster door het apparaat wil leiden, verandert dat van een druppel in een langgerekt, uitgesmeerd monster dat mogelijk zelfs met een ander monster gaat overlappen. Er is gelukkig nog een methode die vloeistoffen in beweging brengt. Deze heeft geen tegenhanger in het dagelijks macroleven. Gewoonlijk vormen elektriciteit en water een gevaarlijke combinatie, maar in de micro-omgeving komt die combinatie van pas. Daartoe neem je een microkanaal met aan beide uiteinden een reservoir, plaats vervolgens elektroden in beide reservoirs en zet er een spanningsverschil op. De vloeistof begint dan te stromen door een proces dat we elektro-osmose noemen.

Als een prop door het kanaal

Bij elektro-osmose speelt het bouwmateriaal van de kanalen een rol. Glas is een amorf (ongeordend) materiaal waarin siliciumatomen en zuurstofatomen met elkaar zijn verbonden. Het oppervlak is ook nogal ongeordend, en bevat vele silanol- (-SiOH) en waterstofloze (-SiO-) silanolgroepen. Het glas heeft netto een negatieve lading. Positief geladen ionen in een vloeistof bewegen daarom naar de wand toe en creëren zo een ladingsbalans. We zetten de spanning op de beide elektroden aan. De negatieve elektrode oefent een aantrekkende kracht uit op de positief geladen ionen in de oplossing. In een groot kanaal zou er niets gebeuren. In een microkanaal gebeurt er echter wel iets. De langs de wand bewegende positieve ionen trekken de rest van de vloeistof in het kanaal met zich mee. De elektro-osmose pompt de vloeistof. De vloeistof beweegt als een prop door het kanaal, alles met dezelfde snelheid, zonder dat de wanden de vloeistof langs de wanden remmen. Er is nog een ander interessant en nuttig effect. Als een monster beweegt door het dunne buisje, treedt er elektroforese op. Veel biologische moleculen, met name DNA en eiwitten, zijn niet neutraal, maar hebben een netto lading. Dat heeft gevolgen voor het transport van die moleculen met elektro-osmose. Tegengestelde ladingen trekken elkaar immers aan. Als een molecuul positief geladen is, wordt het aangetrokken door de negatieve elektrode. De grootte van het molecuul speelt echter ook een rol. Hoe groter een deeltje, des te trager het beweegt. De snelheid waarmee een molecuul beweegt is daarom gekoppeld aan de verhouding tussen zijn lading en zijn massa.

Grotere deeltjes bewegen trager

Als een aangebracht monster beweegt door het kanaal, valt het uiteen. De deeltjes in het monster verschillen in massa en in lading en bewegen daardoor. Twee krachten die het molecuul in de oplossing ondervindt, werken elkaar soms tegen: elektro-osmose en elektroforese. Bij bijvoorbeeld een negatief geladen molecuul trekt de anode dat heel sterk aan (elektroforese), maar de vloeistof duwt het in de andere richting, naar de kathode (elektro-osmose). De stroming is veel sterker dan de elektroforetische aantrekking. Het molecuul worstelt tegen de stroom in, maar het geraakt nooit stroomopwaarts – langzaam voert de stroom het mee. Deze combinatie van elektroforese en elektro-osmose in een dun buisje staat bekend als capillaire elektroforese. Hij maakt zeer snelle scheidingen van biologisch interessante moleculen mogelijk. Er zijn een paar nadelen. De analysetijd (scheiding) hangt af van de lengte van het kanaal. Voor een snelle scheiding is een kort kanaal dus ideaal, met als bijkomend voordeel dat het minder ruimte inneemt (van belang als je immers wilt miniaturiseren). Er is ook een nadeel. Stel dat je monster twee DNA-moleculen bevat met bijna dezelfde massa en lading. Bij een kort kanaal zullen ze dan vrijwel gelijktijdig bij de uitgang komen, te meten als een uitgespreide piek in plaats van twee afzonderlijke keurige pieken. Hoe scheiden we die twee DNA-moleculen terwijl we het apparaat zo klein mogelijk houden? Een oplossing daarvoor is om een lang kanaal enkele malen te vouwen. Dat helpt, maar het blijkt dat moleculen zich gedragen als paarden. In een paardenrace leggen paarden die de binnenbocht nemen, een kleinere afstand af dan die aan de buitenkant. Bij de scheiding van de DNA-moleculen ontstaan daardoor bredere pieken, die zelfs elkaar kunnen gaan overlappen. Een slimme oplossing daarvoor vormt het versmallen van de kanalen in de bochten. Daardoor leggen alle moleculen vrijwel dezelfde afstand af en het paardenrennenprobleem is opgelost. Een van de toepassingen die we voorzien voor het microlaboratorium is het scheiden van DNA en het analyseren van de basenvolgorde. Het lab-op-een-chip kan hier uitkomst bieden, maar DNA is helaas niet zo’n gemakkelijk molecuul om mee te werken. Het probleem is dat elk basenpaar in DNA ongeveer dezelfde lading en dezelfde massa heeft. Hoe groter het molecuul, des te meer lading het heeft, maar de verhouding tussen massa en lading blijft constant. Juist het verschil in die verhouding verzorgt de scheiding van de moleculen. Een manier om dit probleem te omzeilen, is het toevoegen van een gel of zoiets aan het kanaal, waardoor de weg die het DNA moet afleggen vol hindernissen zit. De moleculen proberen door stroperige gel te zwemmen in plaats van door water. Het resultaat is dat moleculen toch worden gescheiden, omdat de grotere moleculen sterker worden vertraagd dan de kleinere.

Alternatief

De truc om gels aan te brengen in de microkanalen is niet erg gemakkelijk toepasbaar. Is er geen alternatief? Harold Graighead en zijn groep aan Cornell University kwamen onlangs op de proppen met een idee. Ze maakten een microkanaal met een aantal vernauwingen. Het kanaal heeft een doorsnede van een paar micrometer, maar bij de vernauwingen is de diameter ongeveer een tiende micrometer. Dat is ongeveer net zo groot als een DNA-molecuul. Inderdaad komen de diverse typen DNA-moleculen gescheiden uit het kanaal, zoals gewenst, maar in feite bewegen de grotere moleculen sneller. Dat is onverwacht. Het kost de grote moleculen immers energie om van vorm te veranderen. Ze zullen zich daarom niet graag een weg banen door de microsluis. Als echter een klein deel van het molecuul zich in de sluis heeft gewurmd, zal de rest van het molecuul volgen. De grotere moleculen hebben een groter buitenoppervlak en maken daardoor over een groter oppervlak contact met het smalle kanaal. De kans is groot dat een deel van het molecuul van vorm verandert en eenmaal in de sluis beland de rest van het molecuul met zich meetrekt. Met de kleinere moleculen gebeurt dit minder vaak, zij blijven eerder achter en verdwalen in de bredere delen van het microkanaal. Miniaturisatie kan, zoals we hier zien, een chemische analyse mogelijk maken. We kunnen in enkele minuten een DNA-analyse op een chip uitvoeren. Totnogtoe kostte dat in een laboratorium dat DNA op een gel scheidt vele uren. We hebben nu ook de fundamentele kennis van wat er precies gebeurt in de microkanalen. Een huisarts kan nog niet na een prik in je vinger vijf minuten later je genetische materiaal kennen, maar met de microleidingen voor het laboratorium op een chip is de ontwikkeling in die richting op gang gekomen.