Photonics

10 min

Fotonica op chip laat dokters dromen

Dankzij chiptechnologie en fotonica kan je ultrakleine spectrometers, cytometers en microscopen maken.

Scroll

Maak kleine structuren op chip die met licht overweg kunnen en een heleboel wordt mogelijk. In de geneeskunde gebruikt men bv. veel toestellen die op basis van (fluorescentie)licht cellen, moleculen en weefsels bestuderen. En dankzij fotonica-op-chip kunnen er nu miniversies gemaakt worden van die toestellen.

Wat is biofotonica-op-chip?

Waarschijnlijk maak je dagelijks gebruik van fotonica: glasvezels zorgen ervoor dat je vlot en zonder problemen kan computeren en tv-kijken. Deze glazen kabels sturen data door met behulp van licht, en dat gaat veel sneller en is veel zuiniger dan wanneer je traditionele digitale kabels gebruikt.

Hetzelfde kan je ook doen op een chip. Met ultrakleine ‘vezels’ en structuren kan je licht rondsturen op een chip en allerlei taken laten uitvoeren. Dat kan gaan om het verwerken of verzenden van data op de chip, maar ook bio-toepassingen zijn mogelijk. Immers, licht is het meest gebruikte medium in medische diagnostiek. Denk maar aan micro- en spectroscopen. Op basis van licht kan je cellen tellen of visualiseren, eigenschappen van materialen en weefsels meten, een DNA-sequentie bepalen enz.

Biofotonica-op-chip is een vrij recent onderzoeksdomein dat heel belangrijk zal zijn voor diagnostiek, therapie en opvolging. Dokters zullen een bloedstaal kunnen analyseren zonder grote (fluorescentie)microscopen en een weefselstaal kunnen onderzoeken zonder grote spectroscopen.

Het is een hele uitdaging om fotonische structuren heel klein te maken en om ze te combineren tot een fotonisch circuit dat een bepaalde taak heel efficiënt en betrouwbaar kan uitvoeren. Als je de structuren maakt op basis van silicium, net als computerchips, of op basis van silicium-compatibele materialen (SiN), dan kan je elektronische en fotonische functies samen integreren en zo een compact en slim systeem maken. Bovendien kan je dan gemakkelijk honderden en duizenden systemen naast elkaar maken en laten werken, waardoor je veel sneller resultaat krijgt dan met een enkel systeem. Dankzij biofotonica-op-chip beschikken we binnenkort over kleine, goedkope testchips die de dokter bijstaan in zijn beslissingen.

Kleine ‘vezels’ van siliciumnitride (SiN) worden gemaakt bovenop een siliciumchip.

Kleine ‘vezels’ van siliciumnitride (SiN) worden gemaakt bovenop een siliciumchip. Deze golfgeleiders gidsen het licht volgens een welbepaald pad over de chip en langs bv. detectieplaatsen.

Enkele van de fotonische componenten die imec maakt: spectrometer, vezel-golfgeleider, golfgeleider en multi-mode interferometer.

Enkele van de fotonische componenten die imec maakt: spectrometer, vezel-golfgeleider, golfgeleider en multi-mode interferometer.

Cellen tellen en bekijken

Om een bloedstaal – op de traditionele manier – te analyseren worden vaak fluorescente labels gebruikt. Het zijn moleculen die specifiek binden met bv. (onderdelen van) een bacterie, een gen, een kankercel. In een cytometer wordt het staal en dus de labels, belicht, waardoor ze fluorescent licht uitstralen dat kan waargenomen worden. Hierdoor kan het aantal bacteriën en kankercellen geteld worden of de aanwezigheid van een specifiek gen in een DNA-staal bepaald worden.

Cytometers zijn typisch heel grote en dure toestellen die in medische labo’s worden gebruikt. Imec ontwikkelt ‘compactere’ oplossingen, nl. cytometers op een chip. In dergelijke chips stromen de cellen in een microfluïdisch kanaal en zijn er structuren onder en/of boven dit kanaal aanwezig om specifieke cellen te herkennen en te tellen. Bv. de cellen met een fluorescent label.

Een recente ontwikkeling in dit domein is een fotonische structuur die een ‘focusing grating coupler’ wordt genoemd. Een grating coupler wordt meestal gebruikt om licht dat uit een laser komt (en die op de chip schijnt) te koppelen in de golfgeleiderbaantjes op de chip en om het licht dat uit de golfgeleiders komt terug uit de chip te schijnen (bv in geval van een detector die niet geïntegreerd is op chip). De focusing grating coupler gaat licht dat in een golfgeleider beweegt, uit het vlak schijnen, zodat een opwaartse bundel van licht ontstaat, op de chip. Doorheen deze lichtbundel loopt het microfluïdisch kanaal waar doorheen cellen stromen. Op deze manier worden de cellen met fluorescente labels belicht waarna ze fluorescent licht uitsturen. Dit fluorescente licht wordt opgevangen door ‘diffraction gratings’ die het licht sorteren per golflengte. Op die manier kunnen verschillende fluorescente labels tegelijkertijd gedetecteerd worden. Dit resultaat is een mooi voorbeeld van hoe compacte fotonische chips kunnen gebruikt worden om cellen te tellen, zelfs verschillende soorten cellen (met verschillende fluorescente labels) tegelijkertijd. Het grote voordeel van deze aanpak is niet zozeer dat je cellen optisch kan karakteriseren terwijl ze voorbij komen in een kanaal, maar wel dat je dit voor honderden kanalen tegelijkertijd kan doen. Dit betekent een enorme toename in throughput van de metingen. Het grote voordeel van deze aanpak is niet zozeer dat je cellen optisch kan karakteriseren terwijl ze voorbij komen in een kanaal, maar wel dat je dit voor honderden kanalen tegelijkertijd kan doen. Dit betekent een enorme toename in throughput van de metingen.

Focusing grating couplers kunnen het licht in golfgeleiders uit het vlak sturen waardoor ze de cellen in een  bovenliggend microfluïdisch kanaal efficiënt belichten.

Focusing grating couplers kunnen het licht in golfgeleiders uit het vlak sturen waardoor ze de cellen in een bovenliggend microfluïdisch kanaal efficiënt belichten.

Naast het tellen van cellen, kan het ook interessant zijn om naar de morfologie van cellen te kijken. Ook hiervoor ontwikkelde imec een geïntegreerde oplossing: de lensvrije microscoop. Lees hier meer over in een vorig artikel van imec magazine.

Spectroscopie in het klein

Spectroscopie wordt in de geneeskunde gebruikt om bepaalde stoffen te detecteren in weefsels, huid of hersengebieden, bv. cholesterol, melkzuur, ethanol. Ook melamine in melk, Ftalaat in speelgoed, verontreinigingen in vlees of de authenticiteit van medicijnen kan hiermee bepaald worden. De stoffen worden gedetecteerd vanwege hun specifieke interactie met bepaalde golflengtes van licht.

Er bestaan vele vormen van spectroscopie: bv. absorptie-, reflectie-, fluorescentie- en Ramanspectroscopie. Van deze laatste ontwikkelt imec een miniversie op chip. Hiermee zou je bv. een compact toestelletje kunnen maken om op een niet-invasieve manier en op regelmatige tijdstippen bepaalde stoffen in je bloed te meten. Met de bestaande desktop Raman spectrometers is zoiets niet mogelijk.

De grote uitdaging bij de ontwikkeling van een Raman-spectrometer is het heel kleine signaal en het grote achtergrondsignaal. Daarom moet de detector zeer gevoelig zijn. Een van de bekendste spectrometerconcepten is Michelson-interferometer. Een lichtbundel wordt gesplitst in twee bundels die een verschillende weg doorlopen alvorens samen te komen en te interfereren. Zo kunnen minieme verschillen in de weglengtes gemeten worden. Het nadeel van dit concept – zeker als je het wil gaan verkleinen – is dat er twee spiegels gebruikt worden waarvan er een beweegt. Zodra de bewegende spiegel niet helemaal juist staat, is de meting fout.

Imec ontwikkelde een (gepatenteerde) oplossing zonder bewegende delen. Er worden honderden structuren – interferometers – naast elkaar gebruikt. Licht wordt op het weefsel geschenen en het gescatterde licht wordt opgevangen door een collimator. Deze verdeelt het licht – met behulp van een beam shaper – over de verschillende interferometers. Elke interferometer is iets kleiner dan de vorige waardoor ook minieme verschillen in weglengtes gemeten kunnen worden, net als bij de Michelson-interferometer.

Ontwerp van de Raman spectrometer op chip.

Ontwerp van de Raman spectrometer op chip.

Een ultragevoelige sensor op basis van licht & geluid

Fotoakoestiek is een snelle, relatief goedkope en ongevaarlijke manier om beelden te maken van het menselijk lichaam. Het kan bv. gebruikt worden voor onderzoek naar huid- en borstkanker.

Het fotoakoestische effect werd in 1880 ontdekt door Graham Bell, de uitvinder van de telefoon. Hij belichtte een blokje selenium waarna er een zwakke toon ontstond (vandaar foto = licht en akoestiek = geluid). Licht en geluid zijn immers beiden trillingen. Licht kunnen we niet horen, maar het kan wel omgezet worden in geluid.

Bij fotoakoestiek worden hele korte laserpulsen op het lichaam van de patiënt gericht. Afhankelijk van het weefsel, wordt een andere kleur licht gekozen. Wanneer zo’n puls het weefsel raakt, wordt het omgezet in warmte. Het weefsel zet uit en wordt weer kleiner, waardoor een drukverandering ontstaat die zich als ultrageluid verder verplaatst. Dit signaal kan worden opgevangen door een soort microfoon. Het ultrageluid kan gebruikt worden om spectroscopische informatie over een materiaal te verzamelen of kan omgerekend worden tot een beeld. Het grote voordeel van fotoakoestiek is dat er geen achtergrondsignaal is en het dus een heel gevoelige techniek is.

Fotoakoestiek wordt al veel gebruikt in medisch onderzoek, maar nog niet voor de diagnose van patiënten omdat de techniek nog te duur is. En hier wil imec verandering in brengen door een fotoakoestische sensor op chip te maken. Een belangrijke component hierbij is de ‘microfoon’ die het ultrageluid moet opvangen. Het bestaat uit een siliciumoxide-membraan met een geïntegreerde fotonische golfgeleider. Wanneer het membraan beweegt door een geluidsgolf, wordt de golfgeleider uitgerekt en dit kan geregistreerd worden.

Fotoakoestische sensor op chip.

Voor de fotoakoestische sensor op chip maakt imec gebruik van een membraan met geïntegreerde golfgeleider. Wanneer het membraan beweegt door een geluidsgolf, wordt de golfgeleider uitgerekt en dit kan geregistreerd worden.

Pen

Als het mogelijk wordt om spectrometers en fotoakoestische sensors te verkleinen, kan de chip misschien geïntegreerd worden in een pen zoals op deze tekening. De dokter kan ermee de huid van de patiënt snel scannen op zoek naar bv. huidkanker.

Eens proberen?

Begin 2016 startte het PIX4life project. Het is een Europees project, gecoördineerd door imec, waarin een ‘bibliotheek’ van fotonische componenten wordt opgezet. Deze kan gebruikt worden door bedrijven – ook KMO’s – die een medische toepassing willen maken. Door multiproject-wafers te gebruiken kunnen de fotonische chips op een goedkopere manier geproduceerd worden. Zo willen de projectpartner de drempel verlagen voor bedrijven en producten met biofotonica-op-chip sneller op de markt krijgen. Op die manier zal onze dokter sneller beschikken over een draagbare spectrometers, cytometer en microscoop waardoor de diagnose van ziektes en de opvolging van een behandeling revolutionair kan verbeteren.

 

Meer weten?

Het PIX4life-project wordt gefinancierd door de Europese gemeenschap, binnen het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma (grant agreement No 688519). Meer info op http://pix4life.eu.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies