RESEARCH
Aquarama 100 – juni 2023
150.000 euro van de Europese Commissie voor onderzoek naar vortex sensor
Microfluidisch kanaal gekoppeld met een actuator (links) die trilt bij een welgekozen frequentie, waardoor resonantie optreedt. Als gevolg hiervan ontstaat een staande drukgolf (rode lijnen) en worden vortices gevormd (rechts). Deze vortices zorgen voor versneld transport langs de wanden van het kanaal.
Microfluidisch kanaal gekoppeld met een actuator (links) die trilt bij een welgekozen frequentie, waardoor resonantie optreedt. Als gevolg hiervan ontstaat een staande drukgolf (rode lijnen) en worden vortices gevormd (rechts). Deze vortices zorgen voor versneld transport langs de wanden van het kanaal.
Filip Legein
Experimentele opstelling waarbij vloeistoffen door capillairen links van de chip worden aangevoerd en rechts worden afgevoerd. Onder de chip wordt een actuator voorzien, aangedreven door een wisselspanning.
Wim De Malsche
Dit jaar ontvangt VUB-onderzoeker Wim De Malsche de prestigieuze European Research Council Proof of Concept Grant van de Europese Commissie, goed voor 150.000 euro aan onderzoeksgeld. Met de ERC Proof of Concept Grant voert De Malsche 18 maanden onderzoek naar de vortex sensor. Er zijn ook concrete plannen om de resultaten toe te passen in verschillende domeinen, waaronder de bewaking van waterkwaliteit en medische diagnostiek.
Door Matthias Vanheerentals
Wim De Malsche behaalde al eerder de ERC Starting Grant vanuit de onderzoeksgroep µFlow. Hier deed hij onderzoek naar analytische scheidingen en ontwikkelde hij een technologie om via microkanaaltjes vortices (draaikolken) te genereren. Dankzij de ERC Proof of Concept Grant kan de VUB-onderzoeker samen met business developer Filip Legein de ontwikkelde technologie toepassen om de gevoeligheid van sensoren drastisch op te drijven.
Vraag
Concreet behandelt het project ‘Vortex microflow inducer that enables detection of ultra-low concentrations of species in sensors’ de volgende kernvraag: hoe kunnen we deeltjes die men wil ‘voelen’ aan een sensor versneld naar het sensoroppervlak brengen, en zo deeltjes aanwezig in heel lage concentraties detecteren, en dit in een veel kortere tijd. Wim De Malsche tracht die vraag te beantwoorden aan de hand van een actieve, elektrisch-akoestisch gedreven methode. “We creëren bijvoorbeeld elektrisch gestuurde stromingen in de vorm van vortices, of draaikolken. Dit gebeurt in zeer kleine volumes in een geminiaturiseerd apparaat, waardoor we point-of-need of point-of-care analyses kunnen uitvoeren. Dat zal uiteindelijk voor kortere analysetijden en hogere gevoeligheden zorgen.”
Detectielimiet
Met de vortex sensor kunnen alle analyten (te bepalen stof of grootheid in een chemische analyse) gecontroleerd aan hoge snelheid aan de sensor worden aangeboden. “We verlagen de detectielimiet”, zegt Wim De Malsche. “De sensor gaat lagere concentraties kunnen meten, of bij dezelfde concentraties meer kunnen meten. Dat zijn heel selectieve sensoren die bijvoorbeeld eiwitten kunnen herkennen van specifieke micro-organismen, die toxines kunnen herkennen.”
Problemen met huidige sensoren
Wim De Malsche geeft aan dat er over het algemeen bij sensoren limieten en dus uiteindelijk problemen zijn met de detectie. “Veel concentraties zijn zo laag dat ze onder de detectielimiet van de sensoren zitten. De huidige sensoren hebben een beperkte gevoeligheid en gaan enkel de analyten die in de buurt van de sensor komen, voelen. Meer dan 99 procent van wat je boven een sensor stuurt, ga je meestal niet meten. Dat is een algemeen probleem. Hoe sneller je wil analyseren en stromen, hoe trager je gaat stromen. De detectie is een trigger voor een actie, zoals antibiotica toevoegen. Dan kan men het proces sturen.”
Resultaten
De resultaten van het onderzoek worden geïmplementeerd in verschillende toepassingen waaraan gewerkt wordt in het netwerk rond de µFlow groep. “We zouden de resultaten kunnen gebruiken voor de bewaking van waterkwaliteit in een civiele of industriële omgeving, maar ook bijvoorbeeld in aquacultuur waar strenge controle van waterkwaliteit essentieel is om ziektes te voorkomen, bijvoorbeeld in viskweek”, zegt Filip Legein. “Verder zien we ook toepassingsmogelijkheden in medische diagnostiek, bijvoorbeeld het opsporen van infecties in urine of kankercellen in het bloed”.
Proof of concept
Op de VUB wordt een proof of concept ontwikkeld zodat de vortex sensor kan ingezet worden voor relevante industriële toepassingen. “We proberen de stap van het labo naar een commerciële toepassing te maken”, zegt Filip Legein. “We spreken met bedrijven omdat we de brug willen maken van ons labo naar een industriële toepassing. Het is een stuk technologie dat in de sensor geïntegreerd wordt. We werken bijvoorbeeld samen met een Nederlands sensorbedrijf.” Over drie jaar zou de sensor klaar kunnen zijn.
Viskwekerijen
De onderzoekers gaan onder meer de sensor inzetten op viskwekerijen, waar specifieke besmettingen voorkomen. “Die besmettingen helpen de oogst naar de vaantjes. Als dat heel nauwkeurig opgevolgd wordt, kan er iets aan gedaan worden”, zegt Filip Legein. “Meer dan de helft van de kweek van de Aquacultuur gaat verloren door ziektes. Tegen 2030 is meer dan 60 procent van de vis die we dagelijks eten, gekweekt. Het is een enorme markt. Daar zitten we kort bij de markt.”
Microfluids
De techniek kan ook handig zijn om microplastics nog beter te kunnen opsporen. “We proberen microplastics op te vangen in een waterstroom”, zegt Filip Legein. “Er wordt dus aan een filter gewerkt die ook microplastics kan opvangen. Zo zou het bijvoorbeeld mogelijk kunnen zijn om in een wasmachine een akoestische filter te stoppen om de microplastics eruit te halen. Er is wellicht wetgeving op komst die dat gaat verplichten. In het Verenigd Koninkrijk bestaat die regelgeving al. De huidige filters in een wasmachine voldoen niet. We werken aan manieren om het organisme bij de sensor te brengen, zoals ook Salmonella.”
Membranen
Op de VUB hebben ze nog heel wat andere projecten voor de waterindustrie. Op de VUB worden membranen met een nieuw elektronisch proces ontwikkeld, met onder meer silicium. “We maken membranen met een elektrochemisch proces”, zegt Wim De Malsche. “Een van onze geliefde substraten is silicium. Wij etsen silicium waar we dan een elektrochemisch proces op loslaten. We hebben dan poriën van 1 tot 100 nanometer, naargelang het voltage dat we erop zetten. We kunnen een laagdikte zetten van een paar microvezels. Dat is totaal onmogelijk met welke andere methode. We kunnen er heel veel innovatieve zaken mee doen en nieuwe types scheidingen, zowel analytisch als preparatief.”
Single cell analyses
Membranen met kleine poriën zijn handig voor “single cell analysis”, waar kleine volumes moeten gehanteerd worden. “We zijn membranen aan het ontwikkelen om heel gericht componenten te isoleren of op te zuiveren”, zegt Wim De Malsche. “Voor single cell systemen kan je geen extractievolumes gebruiken die duizend keer groter zijn dan de cel in kwestie. We moeten een volume aanbieden dat even groot is als een cel. We willen een toolbox hebben waarin we ruimere volumes en kleine volumes doen. We zijn veel ruimer in de volumes die we kunnen hanteren, inclusief kleine volumes… We hebben veel meer vrijheid.”
Niet klein genoeg
De poriën van de commerciële membranen zijn niet klein genoeg. “In de praktijk zijn dat poriën van honderden nanometers”, zegt Wim De Malsche. “De huidige teflon membranen hebben poriën van 500 nanometer en een diameter van 100 nanometer. Die zijn te dik waardoor het te lang duurt eer de extractie gebeurt. Die polymeren-membranen hebben beperkingen waardoor je niet alle solventen er door krijgt. Voor waterzuivering minder relevant. Vaak hoeven dat niet zo’n grote stromen te zijn. Wij hebben poriën nodig van maximaal tientallen nanometers.”
Innovatieprojecten
De Vrije Universiteit Brussel heeft sinds de opstart van het Horizon 2020 programma van de Europese Commissie in 2014 al meer dan 160 onderzoek- en innovatieprojecten binnengehaald, goed voor een totale Europese financiering van meer dan 78 miljoen euro. Professor Wim De Malsche is hoofd van de µFlow Cell, een Group of Excellence of Advanced Research aan VUB. Verder maakt hij deel uit van de vakgroepen Bio-ingenieurswetenschappen en Chemische Ingenieurstechnieken.
Achtergrond
Wim De Malsche studeerde in 2004 af aan de Vrije Universiteit Brussel en behaalde een Master of Science in Bioengineering. Filip Legein is business development manager in de µFlow Cell, een op valorisatie gericht IOF-GEAR-consortium tussen professor Wim De Malsche (µFlow-groep) en prof. Karine Hellemans (VUB-UZB Centrum Translationele Geneeskunde). De Vrije Universiteit Brussel is een vrijzinnige en Nederlandstalige universiteit in Brussel. De hoofdcampus van de VUB ligt op het voormalig oefenplein in de gemeente Elsene (ook bekend als ‘Brussels Humanities, Sciences & Engineering Campus’). Verder zijn er afdelingen in Jette, Anderlecht en Gooik. Verspreid over deze campussen telt de universiteit 8 faculteiten en 83 opleidingen, goed voor een totaal van 19.245 studenten. Daarnaast zijn er 4042 personeelsleden actief, waarvan 2749 met een academische functie. Sinds maart 2022 is professor Jan Danckaert rector ad interim van de VUB. In juni 2022 werd hij verkozen om die functie vanaf academiejaar 2022-2023 officieel uit te voeren.
“We zijn membranen aan het ontwikkelen om heel gericht componenten te isoleren of op te zuiveren”, zegt Wim De Malsche.
“We zijn membranen aan het ontwikkelen om heel gericht componenten te isoleren of op te zuiveren”, zegt Wim De Malsche.
“Meer dan de helft van de kweek van de Aquacultuur gaat verloren door ziektes”, zegt Filip Legein
