'Elk nadeel hep ook z'n voordeel.' Aldus memoreerde prof. dr. ir. Albert van den Berg de beroemdste voetballer aller tijden in zijn inaugurele rede. Toen, eind mei, aanvaardde Van den Berg het ambt van hoogleraar geminiaturiseerde (bio)chemische analyse Sytemen bij Elektrotechniek. De noviteit die hij presenteerde kreeg op 29 oktober een succesvol vervolg met een publicatie in het toonaangevende Amerikaanse weekblad Science.
Het gaat om een vloeistofschakelaar met de naam flowFET. In een microkanaaltje met een angstig dun wandje, kan een elektrische stuurspanning snelheid en richting van enkele nanoliters vloeistof om doen klappen. Van den Berg en collega-onderzoeker dr. ir. Richard Schasfoort van de faculteit Elektrotechniek, zien nu mogelijkheden om complete vloeistofnetwerken in het klein te maken. Op de kruispunten kunnen de stoffen reageren. Hierdoor komen seriematige, snelle analyses met een kleine hoeveelheid monster binnen handbereik.
Viscositeit
De flowFET is een rechthoekig stromingskanaaltje dat anodisch vastgebonden is op een glazen plakje. Door het kanaal stroomt een vloeistof onder invloed van een fenomeen dat Electro Osmotische Flow (EOF) heet. Een elektrisch veld in de langsrichting van het kanaal trekt positief geladen vloeistof-ionen aan. Door de viscositeit van de vloeistof trekken deze de rest van de vloeistof mee één kant op.
De clou van de Mesa+-vinding is dat naast dit elektrische veld in de langsrichting, ook een spanning is aangebracht loodrecht op de vloeistofstroom. Dit veel kleinere elektrische veld trekt positieve vloeistofladingen richting de wand. Het grappige is dat deze ladingen de vloeistofstroom in beweging zetten. Juist het omgekeerde gebeurt als de spanning loodrecht op het microkanaaltje omklapt. Een 'kleine stuurspanning' bepaalt dus de richting waarin de vloeistofstroom gaat bewegen onder invloed van de 'grote veldsterkte' in de langsrichting. In analogie met een transistor is daarom voor de naam flowFET (veld-effect transistor) gekozen.
Coating
De microkanaaltjes waarin dit alles gebeurt konden niet van silicium worden gemaakt omdat dit een halfgeleider is, en derhalve ongeschikt voor hoge spanningen groter dan een kiloVolt. Wel beschikt Mesa+ over een cleanroom waar verscheidene etstechnieken in silicium tot in de finesses uitgevoerd kunnen worden. Hierin schuilt het voordeel van het nadeel.
Mesa+ ging etsen in silicium met als doel om aan het eind van het hele ets- en wegetsproces kanaaltjes van een ander materiaal, siliciumnitride, over te houden. Deze isolator kan elektrische spanningen tot 1,5 kiloVolt wel weerstaan.
De kanaaltjes worden in een eerste bouwstap geëtst in een siliciumblokje en vervolgens gecoat met een siliciumnitride laagje van 390 nanometer dik. In de tweede stap wordt het plakje omgedraaid en volgens een anodisch procédé gebonden op een glazen plakje. Ten slotte wordt het halfgeleidende silicium verwijderd waarbij de dunne siliciumnitride microkanaaltjes overblijven. Door op een slimme manier niet alle silicium weg te etsen wordt het microkanaaltje in een geometrie gevangen. Hierdoor kan het kanaaltje gevuld en afgetapt worden, en zijn er aansluitingspunten om de benodigde elektrische spanningen over het kanaal te zetten.
Kleurstoffen
Met deze constructie hebben de onderzoekers inmiddels aangetoond dat kleine stuurspanningen van 50 Volt de vloeistofstroom in het kanaaltje om kunnen keren, zonder dat het grote elektrische veld in de langsrichting wijzigt. Ook bleek het mogelijk met tegengestelde stuurspanningen stoffen uit twee gescheiden kanaaltjes samen te voegen op het kruispunt van de twee. Daar reageerden de kleurstoffen met elkaar tot een kleurloze stof.
Deze resultaten zijn zoals gezegd eind oktober in Science gepresenteerd. Daarmee is in principe aangetoond dat een micro-reageernetwerk mogelijk is. Zo kunnen chemische synthese en analyse plaatsvinden met een minimum aan grondstoffen. Automatische schakelingen maken dan snelle, seriematige metingen mogelijk.
De onderzoekers geloven in de nieuwe generieke vinding van de vloeistofschakelaar. Van den Berg: 'Voor het snel verkrijgen van veel informatie, bijvoorbeeld over de samenstelling van diverse grondmonsters of voor het analyseren van DNA-materiaal, is het mijn stellige overtuiging dat je naar de kleinst mogelijke representatieve hoeveelheid monster moet streven.'
