Sensor solutions for IoTimec The Netherlands

15 min

Van pratende tomatenplant tot zweetpleister, deze vloeistofsensor kan het allemaal

Imec en Holst Centre ontwikkelden een vloeistofsensor die revolutionaire toepassingen mogelijk maakt in o.a. de tuinbouw, gezondheidszorg, voedingsindustrie of bij waterwinning. De sensor is heel klein (1cm²), kan meerdere parameters tegelijk meten, is relatief goedkoop en kan zelfs op folie geprint worden. Bovendien moet de sensor maar eenmaal gekalibreerd worden, waarna hij lange tijd betrouwbaar kan meten. Marcel Zevenbergen, programmamanager ‘liquid sensing solutions’ bij imec/Holst Centre, vertelt over de technologie, de toepassingen en de demokit voor bedrijven die ermee aan de slag willen. 

Scroll

Dezelfde technologie, maar veel gebruiksvriendelijker

De meeste vloeistofsensoren die vandaag gebruikt worden, zijn duur (een paar honderd tot duizend euro), relatief groot en worden vaak nog handmatig vervaardigd voor het meten van één bepaalde parameter. “Wij maakten een miniatuurversie van deze vloeistofsensor,” verduidelijkt Marcel Zevenbergen. “We gebruiken dezelfde technologie – iongevoelige elektrodes – maar dankzij onze expertise in chiptechnologie kunnen we het systeem veel kleiner maken. Op een oppervlakte van ongeveer 1cm² kunnen we momenteel zo’n vier elektrodes plaatsen. We kunnen er ook de pH en de zoutconcentratie van een oplossing mee meten. Een essentieel onderdeel is de referentie-elektrode die eveneens geïntegreerd is op deze oppervlakte. Is het voor een bepaalde toepassing interessant om bv. ook temperatuur te meten, dan kan ook een temperatuursensor toegevoegd worden. Tenslotte is er ook uitleeselektronica en een radio aanwezig voor het draadloos doorsturen van de data. Eigenlijk kan je het zien als een soort van miniatuur-blokkendoos waarin je de blokken toevoegt die je nodig hebt, en doordat het gebaseerd is op chiptechnologie kan dit allemaal heel compact en goedkoop.”
ion sensor imec and holst centre

Concept van de vloeistofsensor, met in dit geval twee ion-gevoelige elektrodes (IrOx voor pH en Ag/AgCl voor Cl-) op een siliciumsubstraat. De referentie-elektrode is een Ag/AgCl-elektrode die zich in een reservoir bevindt met een gekende oplossing. Microfluïdische kanalen zorgen voor het contact met de te meten vloeistof (om het elektrisch circuit te sluiten). Doordat dit kanaaltje zo klein is, lekt er geen referentievloeistof weg en is de referentie-elektrode uiterst stabiel. 

De vloeistofsensor kan zowel op silicium als op een flexibele folie gemaakt worden. Dit laatste is bv. interessant als je het op een gekromd oppervlak wil aanbrengen, bijvoorbeeld in een slimme pleister die zweet analyseert. Elke elektrode kan met een andere oppervlaktechemie behandeld worden om het gevoelig te maken voor andere ionen. Marcel Zevenbergen: “We stellen momenteel dispensietechnieken op punt om deze oppervlaktechemie op een geautomatiseerde manier aan te brengen. Machines die nu gebruikt worden om epoxy te lijmen, bouwen we om met dit doel.”

ion sensor imec and holst centre

Eigenschappen van imecs vloeistofsensor en enkele van de ionen die ermee gemeten kunnen worden.

ion sensor imec and holst centre

Er bestaan twee versies van de vloeistofsensor: eentje op silicium en een op een plooibaar substraat.

Deze kleine en goedkope vloeistofsensoren, die bovendien kunnen communiceren met elkaar en met de buitenwereld, kunnen o.a. gebruikt worden voor Internet-of-Things toepassingen. Laten we enkele toepassingen bekijken. 

Elke rivier zijn vloeistofsensor

Op 10 juli werd in Diksmuide, nabij natuurgebied de Blankaart, de eerste vloeistofsensor te water gelaten voor een onderzoeksproject dat samen met VITO, De Watergroep, Aquafin en Vlakwa werd opgezet. De sensor meet pH, temperatuur en zoutconcentratie. Marcel Zevenbergen: “Binnen 1,5 jaar willen we zo’n 100 sensoren uitgezet hebben in dit gebied. Het uiteindelijke doel is om met een dergelijk sensornetwerk continu en in realtime de waterkwaliteit van bodem-, grond- en oppervlaktewater en gezuiverd rioolwater te kunnen monitoren. Daardoor zullen de beschikbare waterreserves beter benut worden in functie van de vraag. In dit project willen we nu testen met welke dichtheid we de sensoren moeten plaatsen, of ze voldoende stabiel zijn om in deze omgeving te werken etc.”

blankaart

In het idyllische landschap van natuurgebied De Blankaart worden de eerste testen gedaan om met de nieuwe vloeistofsensor waterkwaliteit continu en in realtime op te meten. (Copyright Yves Adams – Vilda)

Zweet is het nieuwe bloed

In het Europese project Nexgen ontwikkelt imec/Holst Centre een ‘zweetpleister’. Dit is een soort minilabo dat je op je huid draagt (als een pleister) en dat je zweet analyseert. De bovenvermelde vloeistofsensor vormt de kern van deze zweetpleister. “Uit de samenstelling van zweet kan je verschillende ziektes afleiden (zoals cystic fibrosis of taaislijmziekte), evenals de mate van dehydratatie bij sporters of senioren, het kaliumniveau bij marathonlopers, enz.,” verduidelijkt Marcel Zevenbergen. “Het voordeel van zweet t.o.v. bloed is dat het veel minder invasief kan gemonitord worden. Ik ben ervan overtuigd dat analyse van zweet een belangrijke manier zal worden waarmee we in de toekomst onze gezondheid zullen monitoren. Een teken aan de wand zijn de vele start-ups die de laatste jaren worden opgericht en die dergelijke toepassingen maken. Analysten voorspellen dat de wereldwijde markt voor slimme pleisters zoals de zweetpleister zal groeien met meer dan 88% tussen 2016 en 2020.”

sweat patch imec and holst centre

De zweetpleister die imec en Holst Centre ontwikkelden, bevat een reeks van AgCl-elektrodes en een referentie-elektrode. In het Nexgen-project wordt deze pleister verder ontwikkeld tot een stabiel en gebruiksvriendelijk prototype. 

Tomatenplanten leren praten

Vloeistofsensoren zijn ook ideaal om te gebruiken in de land- en tuinbouw. Denk bv. aan hydrocultuur van sla of witloof en hoe deze sensoren heel lokaal informatie kunnen geven over de samenstelling van het voedingswater. “De landbouwer zou op die manier over een controlekamer kunnen beschikken waar op de schermen duidelijk visueel wordt weergegeven waar er zich problemen met voedingsstoffen of watertekort voordoen en waar hij moet gaan ingrijpen. Ook ziektes zouden op die manier snel in de kiem kunnen gesmoord worden,” zegt Marcel Zevenbergen. “In het GROW!-project werken we samen met o.a. het proefcentrum van Hoogstraten om de vloeistofsensor in deze context uit te testen. Per plant worden de voedingsstoffen opgemeten die via de wortels worden uitgewisseld met het water. Ook voor witloof en sla in hydrocultuur wordt dit bekeken. Daarnaast wordt ook gewerkt aan het visualiseren van de data en de verwerking en interpretatie ervan zodat de teler doordachte beslissingen kan nemen.” 

Bioreactoren: van yoghurt tot celtherapie

In alle toepassingen waar bioreactoren gebruikt worden, kunnen vloeistofsensoren nuttig werk verrichten. Denk bv. aan bierbrouwen, de productie van yoghurt, wijn, en zelfs de opkweek van gemodificeerde cellen voor celtherapie. Marcel Zevenbergen: “We spraken reeds met verschillende brouwerijen. In de grote brouwerijen is het fermentatieproces zo nauwkeurig gecontroleerd dat de sensor misschien niet zo’n groot verschil zal maken, maar voor kleinere brouwerijen of bij het opstarten van een nieuw product, kan het zeker wel nuttig zijn om een continu en realtime zicht te hebben op de samenstelling van de oplossing in de bioreactor. En voor celtherapie kan het zeker een verschil maken omdat je daar vertrekt van zeer variabel materiaal – de cellen van een specifieke patiënt – dat heel verschillend kan reageren op dezelfde cultuuromstandigheden. Het is nu een kwestie van in contact te komen met de juiste bedrijven die vanuit hun expertise kunnen aangeven hoe de vloeistofsensor kan ingezet worden.”

Gepersonaliseerde dialyse

Nierdialyse is een zeer ingrijpende behandeling: patiënten moeten 3x per week gedurende 4 uur aan een dialysetoestel hangen. Na zo’n dialyse-sessie voelen ze zich meestal slechter en vermoeider dan ervoor – de zogenaamde ‘dialysekater’. Dit komt omdat dialyse de natuurlijke nierfunctie slechts gebrekkig nabootst. Onze nieren werken 24/7, maar doordat dialyse het zuiveringsproces concentreert in 3x4 uur krijgt het lichaam te maken met grote schommelingen in de vochthuishouding en is er grote kans op een verstoorde balans van natrium-, kalium- en calcium-zouten. 

“Dialyse verwijdert de gifstoffen uit het lichaam, maar beïnvloedt óók belangrijke elektrolyten, zoals natrium, kalium en calcium, wat kan leiden tot bloeddrukschommelingen (natrium), hartritmestoornissen op korte termijn (kalium) en botontkalking op lange termijn (calcium). Daarbij verschillen de precieze optimale instelpunten voor deze elektrolyten óók nog eens per individuele patiënt, terwijl de huidige behandeling (noodgedwongen) een “one-size-fits-all” compromis is,” benadrukt Marcel Zevenbergen. 

“Wanneer je precies kunt meten hoeveel zouten men netto wegspoelt of juist toevoegt, ontstaat de mogelijkheid om dialyse te personaliseren. We onderzoeken daarom of onze vloeistofsensoren in draagbare, compacte nierdialyse-apparatuur gebruikt kunnen worden (bv. de draagbare kunstnier waaraan de Nederlandse Nierstichting werkt).”

Imec werkt daartoe nauw samen met de Nederlandse Nierstichting en beiden zijn ook lid van het Kidney Health Initiative (KHI), een initiatief van de Amerikaanse FDA en ASN om wereldwijd verspreide stakeholders samen te laten werken om een internationale innovatie-roadmap voor niervervangende therapieën op te stellen. Deze roadmap wordt samen met patiëntenorganisaties geschreven, en de Nierstichting en imec vervullen hierbij samen een trekkersrol. Deze KHI Renal Replacement Roadmap werd 20-21 Augustus in Seattle internationaal gepresenteerd.

Organen op chip: voelen de cellen zich thuis?

Wetenschappers over heel de wereld – ook bij imec – bekijken de mogelijkheid om hartcellen, hersencellen, enz. te groeien op een chip. De functie van de chip is om signalen te sturen naar de cellen én om signalen die de cellen uitsturen, uit te lezen. Het zou bv. een manier zijn om op een snellere manier medicijnen te testen en te ontwikkelen. 

“Ook in die context is het interessant om ion-gevoelige elektrodes toe te voegen aan de chip, meer bepaald in de miniruimtes waarin de cellen groeien,” verduidelijkt Marcel Zevenbergen. “Het is immers belangrijk om het groeimedium van de cellen goed te monitoren om ze zo lang mogelijk in leven te houden, en de samenstelling van de oplossing geeft ook een indicatie voor de kwaliteit van de cellen en geeft aan of ze op dezelfde manier groeien als in het lichaam. Dit laatste is belangrijk als je relevante testen wil doen.”

Een aangenaam darmonderzoek

In de verre toekomst wil men sensoren ontwikkelen die je als een pil doorslikt en die op onderzoek uitgaan in de darmen. Zo’n slimme pil kan ook vloeistofsensoren bevatten. Marcel Zevenbergen: “Als we onze technologie nog verder kunnen verkleinen, kan die zeker ook gebruikt worden in dit soort toepassingen. Een deel van de diagnose zal er immers uit bestaan om de pH van deze omgeving te checken, of om de concentratie van bepaalde ionen te bepalen. Al deze info kan de dokter helpen om te bepalen wat er met de patiënt aan de hand is.”

Voor bedrijven

Er zijn dus veel toepassingen mogelijk met de nieuwe vloeistofsensor. Overal waar je continu en realtime de samenstelling van een vloeistof wil meten, kan het nuttig zijn. Op korte termijn kan de vloeistofsensor in waterlopen en in serres gebruikt worden, op langere termijn ook in organen-op-chip en slimme pillen. “We zijn nu op zoek naar bedrijven die deze technologie willen gebruiken in hun producten, er hun productieproces mee kunnen optimaliseren of het kunnen omzetten in unieke toepassingen in bv. de tuinbouw, gezondheidszorg, voedingsindustrie of bij waterwinning. Voor deze bedrijven ontwikkelden we alvast een demokit zodat ze zelf kunnen ondervinden wat deze technologie allemaal kan.”

demo kit ion sensor imec and holst centre

Demokit met vloeistofsensor die beschikbaar is voor bedrijven om testen mee te doen.

 

Meer weten?

  • Via dit contactformulier kan je de IEDM-paper opvragen over de vloeistofsensor. Deze paper bevat meer technische details over de opbouw van de sensor. Merk op dat in tussentijd – de paper dateert van 2016 – de sensor verder verkleind werd.
  • Een paper over een pleister die de samenstelling van zweet kan opmeten – gebaseerd op de vloeistofsensor in dit artikel – kan opgevraagd worden via dit contactformulier
  • Holst Centre werd in 2005 opgericht door imec en TNO. Het is een onafhankelijk onderzoekscentrum in Eindhoven dat samen met de industrie innovatieve toepassingen ontwikkelt in verband met draadloze sensoren en flexibele elektronica. Meer info: www.holstcentre.com
  • Wil je meer te weten komen over de zweetpleister die ontwikkeld wordt in het Nexgen-project? Bekijk dan zeker de projectwebsite
  • Meer info over het GROW-project
  • Lees in ons juninummer over hartcellen-op-chip. 

Biografie Marcel Zevenbergen

Marcel Zevenbergen obtained a MSc from Delft University of Technology in 2005 and a PhD from the same university in 2009.  During his PhD, he developed a sensor capable of electrically detecting single molecules in solution. Afterwards, he joined imec in the Netherlands where his main interests include the development of novel sensor platforms for the applications mentioned in this article. In his current role as program manager, he investigates how these sensors can be used to solve various challenges in liquid sensing.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies