Výzkum Oleksandra Prystopiuka umožní širší využití mikrofluidních zařízení v analytické chemii

Nové možnosti pro větší využití mikrofluidních zařízení v analytické chemii otevře výzkum Oleksandra Prystopiuka z katedry analytické chemie přírodovědecké fakulty. Světový trh s mikrofluidními zařízeními, pomocí kterých vědci v laboratořích dokážou manipulovat i s velmi malými objemy kapalin, čeká podle řady odborníků v příštím desetiletí výrazný růst. Oleksandr Prystopiuk se proto rozhodl udržet s tímto globálním trendem krok a v rámci svého doktorského studia se pod vedením Petra Fryčáka zaměřil na dva výzkumné směry úzce spojené právě s mikrofluidikou.

„Zabývám se vývojem technologie výroby mikrofluidních zařízení na pracovištích, která nemají k dispozici tzv. čisté prostory, tedy specializované prostředí s kontrolovanou minimální úrovní znečištění pro technologie vyžadující mimořádnou čistotu. Vytvořím také ukázkovou aplikaci, která bude demonstrovat potenciál ‚podomácku‘ vyrobené mikrofluidiky při řešení aktuálních výzev analytické chemie," popisuje svoji vědeckou práci Oleksandr Prystopiuk, jehož výzkumné a vývojové počínání bylo v roce 2024 podpořeno grantem Nadačního fondu UP.

Mikrofluidní zařízení, známá též jako mikrofluidní čipy, přinesla po roce 2000 revoluci ve složité manipulaci s malými objemy kapalin až na úrovni zlomků mikrolitru. Díky tomu mohly být zásadně změněny postupy tzv. mokré chemie v mnoha oborech, které využívají precizní manipulaci s tekutými vzorky a činidly.

„Svojí prací rozvíjím jedno z hlavních výzkumných témat katedry analytické chemie, kterým je chemická mikroanalýza zahrnující jednoduché chemické testy, mikromanipulační postupy pro úpravy vzorků i pokročilé metody založené na kapilární elektroforéze a elektrochemických senzorech. Slibný rozvoj využití mikrofluidiky ale výrazně zpomaluje vysoká cena výroby mikrofluidních zařízení navržených přesně na míru požadavkům vědců. Vytvořit takto složité zařízení s předem definovanými parametry je přitom pro výzkum naprosto nezbytné kvůli jeho specifické povaze a nadstandardním požadavkům. Já se snažím vyvíjet zařízení levná," popsal Oleksandr Prystopiuk úskalí vývoje a aplikace mikrofluidních zařízení.

Univerzita Palackého v Olomouci/archiv analytické chemie: Výzkum Oleksandra Prystopiuka umožní širší využití mikrofluidních zařízení v analytické chemii

Na začátku svého doktorského studia proto tento mladý vědec přijal ambiciózní výzvu a rozhodl se vyvinout technologii pro kusovou výrobu mikrofluidních zařízení vyrobených přesně na míru, kterou bude možné používat v laboratořích a provozech s minimálním vybavením.

Jeho řešení je založeno na použití desek plošných spojů (DPS) jako substrátu pro výrobu mikrofluidních zařízení. „Nechtěl jsem se příliš vzdálit od svého bakalářského vzdělání v oboru elektronického inženýrství, a proto jsem se rozhodl využít DPS. Technologie ‚mikrofluidika-na-DPS‘ (microfluidics-on-PCB) byla již technologicky i materiálově prověřena a nabízí několik klíčových výhod,“ vysvětlil Oleksandr Prystopiuk.

Použití DPS jako základního materiálu umožnilo použít vodivé drážky, které lze využít jako elektrody nebo elektrochemické senzory. Moderní procesy výroby DPS nabízejí nejen dostatečnou prostorovou přesnost, ale také širokou škálu užitečných povrchových úprav za atraktivní cenu. „Kromě toho je třeba pouze zaslat soubory s návrhem do výrobní společnosti, která se postará o vše ostatní. Navíc DPS s mikrofluidními kanálky může obsahovat také integrované obvody. Díky tomu lze přímo mikrofluidnímu zařízení zpracovávat slabé elektrické signály například z elektrochemických senzorů,“ popsal doktorand výhody tohoto řešení.

Mikrofluidní kanálky jsou vytvářeny v polymerové vrstvě pomocí laserového obrábění, což je technologie používaná například k označování nebo gravírování. Samotná výroba vyvinutých zařízení je podle Oleksandra Prystopiuka relativně jednoduchá a zahrnuje pouze dvě operace, které je nutné provést přímo na pracovišti – nanesení polymerové vrstvy pomocí spincoatingu a uzavření mikrofluidního zařízení na topné desce. „Tímto přístupem můžeme mikrofluidní zařízení vyrábět v běžných podmínkách analytických laboratoří,“ podotkl Oleksandr Prystopiuk.

Vědci z katedry analytické chemie zároveň uvažují o vytvoření ukázkové aplikace, která by umožnila prezentovat výhody jejich inovativního postupu. „Vyvíjená technologie velmi dobře zapadla do oblasti moderní instrumentální analytické chemie. Připravované mikrofluidní zařízení dovoluje manipulaci s tekutým kultivačním médiem obsahujícím jednobuněčné řasy, které slouží jako modelové organismy. Zároveň detekuje buňky proudící mikrokanálkem a rozlišuje například od vzduchových bublinek. Následně umožňuje, aby požadovaná buňka byla oddělena od hlavního proudu kapaliny v kanálku a byla nasměrována do hmotnostního spektrometru pro její následnou analýzu,” řekl Petr Fryčák, školitel doktoranda.

Podle Petra Fryčáka se jedná se o technicky a vývojově náročnou aplikaci, která vyžaduje nejen výrobu účelově navrženého mikrofluidního zařízení, ale také vytvoření celého ekosystému nezbytného pro jeho fungování, včetně zásobování kapalinami, řídicí elektroniky, mechanického rozhraní pro hmotnostní spektrometr a dalších prvků.

„Rád bych vyjádřil vděčnost Nadačnímu fondu UP, který podpořil toto mé vývojové úsilí. Získaný grant umožnil pořídit elektronické, mechanické a optické komponenty potřebné k sestavení funkčního prototypu, stejně jako objednat výrobu nestandardních dílů podle vlastního návrhu. Z dlouhodobého pohledu mě inspiruje myšlenka, že by se katedra analytické chemie Přírodovědecké fakulty UP mohla stát významným centrem pro rozvoj a praktické využití mikrofluidních technologií, což by zajistilo jejich trvalou dostupnost pro českou vědeckou komunitu,“ dodal Oleksandr Prystopiuk.