Development of portable capillary electrophoresis instrumentation for medical diagnostic purposes

Mgr. Petra Itterheimová, Ph.D.

Doctoral thesis

Vývoj přenosného kapilárně elektroforetického přístroje pro lékařskou diagnostiku

Abstract:

Kapilární elektroforéza (CE) je široce využívaná analytická separační me-toda. Na trhu je dostupná řada komerčních přístrojů, nicméně pro spous-tu aplikací může být jejich cena či rozměry limitující. S všeobecným přijí-máním open-source principu ve vědě jsou však čím dál častěji vyvíjeny levné přístroje využívající open-source hardware. Součástí této disertační práce je právě vývoj dvou jednoduchých a levných open-source modulů pro instrumentaci CE. První část této disertační práce je zaměřena na konstrukci malých a jednoduchých zařízení pro sběr dat, která jsou zalo-žena na mikrokontroleru Arduino Nano a modulech s různými analogově-digitálními převodníkovými čipy s rozlišením od 16 do 24 bitů. Pro použi-tý CE systém s bezkontaktní vodivostní detekcí byly nejlepší výsledky získány pomocí vyrobeného 24bitového zařízení. Výsledky z tohoto pře-vodníku byly porovnatelné s výsledky získanými pomocí komerčního 24bitového převodníku (ORCA 2800). V další části byl sestrojen automa-tický dávkovač (autosampler) pro modulární CE systém. Autosampler je řízen pomocí mikrokontroleru Arduino Mega, který zajišťuje hydrodyna-mické dávkování vzorků, ale i jeho ovládání pomocí klávesnice a LCD displeje. Funkčnost autosampleru byla otestována na vzorovém systému pro analýzu aniontů. Získané výsledky byly porovnatelné s komerčním přístrojem (Agilent 7100 CE) a s větší přesností v porovnání s analýzami, kde hydrodynamické dávkování vzorků bylo provedeno manuálně. Po-slední část této dizertační práce se zabývá aplikací CE - analýzou iontů ve vzorcích potu za účelem diagnostiky cystické fibrózy, která je založena na zvýšených hodnotách poměru iontů ((Cl-/K+) nebo ((Cl- + Na+)/K+)) u pacientů v porovnání se zdravými lidmi. Pro získání vhodného vzorku potu k této analýze bylo vyvinuto nové, jednoduché vzorkovací zařízení vytištěné na 3D tiskárně a následně otestováno v klinické praxi. Výsledky ze studie naznačují, že vyvinuté vzorkovací zařízení Skin Wash může být vhodnou alternativou k běžně používané metodě pro vzorkování potu se zařízením Macroduct.

Abstract:

Capillary electrophoresis (CE) is a widely used analytical separation technique. While several commercial instruments are available, their high cost and large size limit their use in specific applications. Fortunately, the growing acceptance of open-source principles in science has led to the development of more affordable in-house-built instruments based on readily available hardware. This dissertation thesis focuses on the devel-opment of two such simple and cheap open-source components of an in-house built CE instrument. In the first part, compact and simple data ac-quisition (DAQ) devices based on the Arduino Nano microcontroller were constructed. They incorporate various analog-to-digital converter mod-ules with resolution in the range from 16 to 24 bit. For a CE system with contactless conductivity detection, the best results were obtained using the developed 24-bit DAQ device. Its performance was comparable to a commercial, high-end 24-bit DAQ device (ORCA 2800). In the second part of this thesis, an autosampler for a modular CE system was constructed. The entire system is controlled by an Arduino Mega microcontroller, which manages both hydrodynamic sample injection and user interaction through a keypad and LCD display. The functionality of the autosampler was evaluated on the analysis of anions. The performance of the au-tosampler was comparable to a commercial instrument (Agilent 7100 CE) and displayed higher precision compared to the same in-house-built CE system with manual sample injection. The final part of this dissertation thesis is focused on an application for the developed CE instrument - the ion analysis of sweat samples to diagnose cystic fibrosis. The novel ap-proach is based on detection of elevated ion ratio ((Cl-/K+) or ((Cl- + Na+)/K+)) values for patients compared to healthy individuals. To facili-tate the sweat collection, a novel, simple and 3D-printed sampling device called Skin Wash was developed and tested in clinical setting. The results suggest that Skin Wash could be a suitable alternative to commonly used Macroduct sweat sampling method.

Keywords

kapilární elektroforéza, Arduino, převodník, automatický dávkovač, vzorkování potu, cystická fibróza, vývoj instrumentace, capillary electrophoresis, data acquisition, autosampler, sweat sampling, cystic fibrosis, instrument development

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 4. 9. 2024
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Kubáň, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Petr Bednář, Ph.D., prof. RNDr. Petr Skládal, CSc., Prof. Dr. hab. Tomasz Baczek

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Life Sciences / Life Sciences