Uw profiel is aangemaakt

U heeft een e-mail ontvangen met een activatielink. Vergeet niet binnen 24 uur uw profiel te activeren. Veel leesplezier!

SENSOREN

Home

HARM IKINK

De Twentse hoogleraar Piet Bergveld ontvangt vandaag uit handen van minister Wijers de driejaarlijkse Jacob Kistemakerprijs. Bergveld is de man achter de 'ISFET', een elektronische component die de ionenconcentratie in een vloeistof registreert.

Doorzettingsvermogen had hij nodig toen hij een kleine dertig jaar geleden voorstelde om een transistor in vloeistoffen te dompelen om zo via elektronische weg concentraties van ionen te meten. Een baanbrekend idee, want tot dan toe hadden elektronici juist hun best gedaan de transistoren in hun schakelingen van alle omgevingsinvloeden te vrijwaren. Scepsis werd zijn deel, maar daar raakte hij alleen maar extra door gemotiveerd. “Zeg tegen een Fries nooit dat iets niet kan, want dan zal hij de onderste steen boven halen om het tegendeel te bewijzen.”

Het idee om de transistor als sensor te gebruiken ontstond na een aantal jaren onderzoek op het terrein van biopotentialen, de elektrische spanningen die optreden bij menselijke hersen- en zenuwactiviteit. Als kersvers wetenschappelijk medewerker aan de juist opgerichte Technische Hogeschool Twente werkte Bergveld in de tweede helft van de jaren zestig aan een project om bij Parkinsonpatiënten vast te stellen welk hersendeel verantwoordelijk was voor de 'tremor', het trillen van lichaamsdelen. Daarvoor was het nodig, tijdens operaties de hersensignalen te meten.

“Dat was niet zo moeilijk”, blikt hij terug. “Elektrode maken, versterker erachter, klaar: de artsen hadden hun methode om hersenpotentialen te meten. Dat gaf mij de tijd om na te denken. Want wat waren we nu eigenlijk aan het meten? De spanning tussen twee draadjes uit de hersenen. Maar waar komt dat signaal vandaan? Daar zegt zo'n voltmeter niets over. Ik ben niet tevreden als ik alleen maar iets meet. Ik wil ook weten wat ik nou meet.”

Het antwoord lag in de elektro-fysiologie: de huishouding van elektrisch geladen atomen in oplossing, natrium- en kaliumionen, is verantwoordelijk voor de elektrische signalen in hersenen en zenuwen. De Engelse onderzoekers Hodgkin en Huxley kregen voor die vaststelling in 1952 de Nobelprijs voor geneeskunde. “Maar”, zegt Bergveld, “zij hadden hun modellen opgesteld zonder werkelijk de ionenconcentraties te kunnen meten. Dat intrigeerde me. Ik vond dat het echte, harde bewijs ontbrak, en dat daarvoor sensoren nodig waren die werkelijk de biologische kalium- en natriumconcentraties konden meten. Die moest ik dus gaan maken.”

Het probleem was daarbij vooral, de ionenconcentratie vast te stellen op het niveau van de individuele hersencellen, de neuronen, op een oppervlak van minder dan tien vierkante micrometer. Het gangbare instrument voor meting van ionenconcentraties, de 'glaselektrode', was daarvoor niet geschikt.

“Bovendien is dat een merkwaardig soort sensor”, zegt Bergveld. “Het is een glazen buisje, met aan de onderkant een dun glazen membraan, gevuld met een standaardoplossing. Dat hou je in de te meten vloeistof. Het verschil in ionenconcentratie aan beide zijden van het glas resulteert in een elektrisch potentiaalverschil, dat je kunt meten. Maar dat gaat tamelijk ingewikkeld en is storingsgevoelig.”

“Nu is het merkwaardige dat het signaal uiteindelijk in een versterker terechtkomt waarvan de eerste component een transistor is die een laagje silicumoxide bevat. En dat is dus ook glas! Dan is het toch niet zo'n gek idee dat je die transistor uit die versterker haalt en die meteen in de vloeistof dompelt, daarmee die lastige tussenroute vermijdend? Het zou een veel elegantere koppeling zijn tussen de ionenwereld en de elektronenwereld.”

Experimenten aan het zenuwstelsel van sprinkhanen leidden vrijwel onmiddelijk tot succes en in 1970 was de eerste ISFET een feit. Vanaf dat moment heeft Bergveld zich ingezet voor toepassing van 'zijn' sensor. Hij publiceerde de resultaten in internationale biomedische tijdschriften - ''als ik iets moois bedacht heb dan wil ik het meteen aan iedereen vertellen'' - maar vooral de reactie uit de elektrofysiologie was op zijn zachtst gezegd nogal lauw.

Dat stelde hem teleur, maar gelukkig was er uit andere hoek wel belangstelling. De Nederlandse vestiging van de Amerikaanse fabrikant van pacemakers Cordis zag in de ISFET de mogelijkheid om de pH, de zuurgraad, van bloed te meten. Dat is belangrijke informatie voor een optimale regeling van de pacemaker.

Bergveld, blij met belangstelling voor de sensor, boog zijn onderzoek bij en richtte de aandacht op pH-meting in plaats van op natrium- en kaliumionen. “Je moet je onderzoek aanpassen aan de vragen uit de gemeenschap. Je moet die oogkleppen afzetten, je voelhorens uitsteken en er voor zorgen dat bedrijven - bij voorkeur Nederlandse - met je onderzoeksresultaten aan de slag gaan.”

Het heeft echter lang geduurd voor de ISFET werkelijk industrieel doorbrak. Cordis stopte de ontwikkeling van de pH-sensor, maar verzelfstandigde de research-afdeling onder de naam Sentron.

Deze firma brengt pas de laatste jaren met succes pH-meters op de markt, ook voor verschillende niet-medische doeleinden. Ze vinden bijvoorbeeld aftrek in de verfindustrie en de vleesverwerkende industrie, waar de traditionele glaselektroden niet voldoen. Inmiddels zijn er wereldwijd zo'n acht bedrijven die de ISFET in een of andere vorm op de markt brengen.

Volgens Bergveld had dat succes er vijftien jaar geleden al kunnen zijn. Het ongeduld dat hij in die tijd wel eens ventileerde heeft echter plaats gemaakt voor berusting: “We moeten realistisch zijn: de industrie is niet altijd meteen toe aan de ontwikkelingen waar wij het voortouw in nemen. Produktiekosten en marktkansen zijn nu eenmaal ook belangrijk. Aan de andere kant moeten wij ons inspannen de industrie voor te lichten, te wijzen waar het naartoe gaat. We proberen continu voorbeelden op tafel te leggen, te laten zien dat de resultaten van onderzoek inderdaad heel aardige produkten kunnen opleveren.”

Zo houdt hij zich nu onder andere met milieusensoren bezig. “De ervaring die we hebben met meten in het menselijk lichaam kunnen we ook ten nutte maken voor metingen in slootwater, in grond, noem maar op.”

Op het ogenblik ontwikkelt hij bijvoorbeeld voor wasmiddelengigant Unilever sensoren voor wasmachines. “Ook daar gaat het er om, heel selectief en betrouwbaar een stof te meten in een ingewikkelde vloeistof met talloze componenten die allemaal chemisch met elkaar in verband staan. Of je dat in bloed doet of in waswater, dat maakt in principe niets uit.”

Deel dit artikel