Metody detekcji optycznej w papierowych układach analitycznych

W niniejszej dysertacji opracowano nowe metodologie prowadzenia pomiarów optycznych, które są w pełni kompatybilne z papierowymi systemami analitycznymi. Podjęta tematyka wpisuje się w ogólnoświatowy trend rozwoju chemii analitycznej, którego jednym z nadrzędnych celów stało się umożliwienie prowadzenia oznaczeń poza laboratorium i przy minimalnym nakładzie środków oraz pracy. Testy paskowe lub całe układy mikroprzepływowe wykonane z papieru są coraz częściej wykorzystywane do szybkiego wykrywania obecności lub określania zawartości interesującego analitu. Wydarzenia pandemiczne ostatnich lat, potwierdziły konieczność rozwoju metod szybkiego testowania, połączonych z możliwością uzyskania dokładnego i precyzyjnego wyniku. W celu wytworzenia mierzalnego sygnału analitycznego w takich układach, zastosowanie znajdują zarówno chemiczne jak i biochemiczne metody rozpoznania analitu. Niestety, często pozwalają jedynie na jakościowe określenie obecności wybranej substancji, które w wielu przypadkach np. oznaczeń klinicznych, nie dają wystarczającej informacji na temat stanu biochemii płynów pacjenta lub nie pozwalają na skuteczną diagnostykę jednostek chorobowych. Niewątpliwie, wyzwanie dla nowoczesnej chemii analitycznej stanowi opracowanie możliwie prostych i uniwersalnych metod detekcji sygnału analitycznego. Tematyka personalnej diagnostyki medycznej, w której pacjent samodzielnie wykonuje niezbędne do postawienia diagnozy analizy jest rozpatrywana jako realna i nieodległa przyszłość medycyny. Urządzenia detekcyjne jakie znalazły się w obszarze rozpatrywanym w pracy doktorskiej stanowiły systemy optoelektroniczne. Zaproponowano dwa odmienne podejścia, różniące się od siebie wykorzystywanymi urządzeniami. W pierwszym z nich użyto tanich i ogólnodostępnych diod elektroluminescencyjnych, które jako sparowane stanowią kompletny układ pomiarowy do badań foto- i fluorometrycznych. Drugi natomiast opierał się na wykorzystaniu aparatu fotograficznego zainstalowanego w telefonie komórkowym. Rozwój technologii cyfrowych oraz dostępność smartfonów znacząco poszerza możliwości projektowania urządzeń gotowych do zastosowania w miejscu leczenia, także poza przychodnią/kliniką. Badania realizowane w ramach doktoratu koncentrowały się na opracowaniu detektorów optycznych przeznaczonych do konkretnych zastosowań analitycznych. W moich badaniach korzystałem z mikroprzepływowych układów wykonanych z matrycy celulozowej. Takie papierowe układy analityczne działają relatywnie szybko, charakteryzują się krótkim czasem wytworzenia oraz łatwością zaprojektowania. Technika pokrywania włókien celulozowych woskiem, jako substancją hydrofobową, w celu zdefiniowania architektury przestrzeni penetrowalnych dla roztworów wodnych, pozwoliła na zademonstrowanie rozwiązań, dopasowanych do konkretnego problemu analitycznego. Niniejsza praca doktorska stanowi zbiór tematycznie powiązanych autorskich publikacji naukowych. Kluczowym elementem przedstawionych prac naukowych jest element innowacyjności zarówno w zakresie stosowanych detektorów, jak również w wykorzystaniu układów mikroprzepływowych. Zastosowanie detektorów opartych na wykorzystaniu LED oraz telefonu komórkowego zostało potwierdzone w rzeczywistych scenariuszach analitycznych określania zawartości substancji ważnych w aspekcie analityki klinicznej, ochrony środowiska oraz kontroli jakości żywności. Opracowanie metody interpretacji zdjęć z zastosowaniem modelu barw RGB i następnie translacji informacji na użyteczny sygnał analityczny, okazały się kluczowe do stworzenia uniwersalnej metodologii prowadzenia pomiarów fotometrycznych przy użyciu aparatu fotograficznego telefonu komórkowego. Uzyskane w ramach badań wyniki, otrzymane przy użyciu opracowanych układów oraz detektorów, były zgodne z wynikami oznaczeń referencyjnych. Potwierdza to możliwość ich zastosowania w obecnie standardowo wykonywanych procedurach analitycznych.

In this doctoral dissertation a new methodologies for optical measurements fully compatible with microfluidic analytical systems were developed. The subject of the work fulfills the global trend in analytical chemistry to enable analytical determinations outside the laboratory environment and with a minimum resources or labour. Ordinary test strips or more advanced microfluidic systems made entirely of paper are nowadays used for the rapid determination of the analyte of interest. Period of the pandemic has confirmed the necessity to develop rapid testing methods combined with the possibility of obtaining an accurate and precise results. This kind of systems are mostly used to generate a measurable analytical signal for either chemical or biochemical recognition of an analyte. Unfortunately, they rarely give more than the qualitative information about the presence of the analyte of interest, for example during medical examinations, it does not provide sufficient information about the patient's condition or does not allow for the effective diagnosis. Undoubtedly, the main challenge for modern analytical chemistry is the development of a simple and universal methods suitable for signal acquisition. The personal diagnostics, when the patient performs all the necessary tests by himself, is considered as future of modern healthcare. The newly developed detection methods will allow for gaining a quantitative information about the analyte of interest. The detection systems, which are presented in this work were optoelectronic. Two different ways of signal detection were described. First one, was based on utilization of cheap LEDs which paired together can be considered as a comprehensive detection system suitable for photo- and fluorometric assays. The second one, was based on using a smartphone camera as a signal recorder. Novel approaches in technology and portable electronical devices allow for the adaptation of complex analytical procedures in the accessible form, even at the patient’s bedside. The development of the detection schemes which are friendly for the end-user has a great application potential. My doctoral research was focused on proposing and developing the optical detectors dedicated to specific analytical applications. During my research, a detection of the analytical signal was carried out on microfluidic systems made out of paper. Their fast and low cost potential, combined with the possibility of designing systems capable of parallel determinations are undoubtedly the great advantages of such analytical devices. With using wax as a hydrophobic agent, the architecture of the systems can be optimized for the specific analytical problem. During my work, the wax printing technique was used to create microfluidic systems with specified properties. The submitted doctoral dissertation is a collection of the related and original scientific publications. Each of the presented work, describes an innovative solution for the specific research problem. Most of the concepts included in this dissertation, were presented in the scientific literature for the very first time. The utilization of detectors based on paired LEDs and smartphone have been confirmed in the real-life analytical scenarios. The effectiveness of the presented concepts were confirmed for clinical, environmental protection and food quality control assays. The developed methodology of image analysis using the RGB colour model and its later translation into a useful analytical signal became crucial for creating the universal methodology of conducting photometric measurements using a mobile phone camera. The results obtained with developed systems and detectors, were fully compatible with the reference methods. This confirms the applicatory potential of this systems in everyday analytical procedures.