Development of novel on-site chemical analysis tests – from alternative materials and technologies to functional prototypes

Abstract

Kujutle, et keerukaid keemilisi analüüse saab teha ükskõik kus — just seal, kus neid vaja läheb, ilma laborita. Traditsiooniline keemiline analüüs nõuab sageli keerulist aparatuuri, väljaõppinud spetsialiste ja palju aega, luues vajaduse kiiremate ja kättesaadavamate lahenduste järele. Käesolevas doktoritöös töötati välja uued kohapealsed keemilise analüüsi testid, mis lisaks analüüsi lihtsustamisele pakuvad ka kõrgemat analüütilist võimekust võrreldes olemasolevate kaasaskantavate lahendustega. Neid teste valmistati siiditrüki ja uudse osakestepõhise lähenemise abil, mis on kiire, madalate kuludega ja potentsiaalselt hästi masstootmiseks sobiv. See lähenemisviis võimaldab paremini kontrollida baasmaterjali kvaliteeti ja omadusi (nt paksust, pinnafunktsionaalsust). Lisaks näidati töös, et tavapäraseid laboratoorseid tehnikaid, nagu kromatograafia (parema selektiivsuse saavutamiseks) ja tahke faasi ekstraktsioon (kõrgema tundlikkuse saavutamiseks), saab nendesse testidesse edukalt integreerida. See on oluline samm kõrgema analüütilise võimekuse viimiseks otse kasutuskohale. Väljatöötatud funktsionaalsed prototüübid olid kompaktsed, kasutajasõbralikud ja suutelised andma usaldusväärseid tulemusi. Nende rakendused hõlmasid näiteks biotiini taseme jälgimist uriiniproovides ning mitmete metallikatioonide määramist erinevates veeproovides, sealhulgas tugevaid kelateerijaid sisaldavates väetiselahustes. Ühendades alternatiivsed materjalid, nutika disaini ja keerukamad analüüsimeetodid, nihutavad need testid kohapealse keemilise analüüsi piire. Töö tulemused sillutavad ka teed võimekamate ja masstootmiseks sobivate diagnostikavahendite väljatöötamiseks, mis võimaldavad täpsemaid ja kiiremaid tulemusi ning otsustamist keskkonnaseires, tervishoius ja põllumajanduses.

What if advanced chemical testing could be done anywhere — right where the need arises, without a laboratory? Traditional chemical analyses often require complex equipment, trained personnel, and significant time, creating a need for faster, more accessible solutions. In this thesis, new on-site chemical analysis tests were developed that not only simplify testing but also aim to achieve higher analytical performance than the existing portable methods. These tests were developed using a novel screen-printed particle-based method that is fast, low-cost, and potentially scalable for mass production. This approach enables better control over the base material quality and properties (e.g., thickness, surface functionality). Moreover, common laboratory-based techniques, such as chromatography (for better selectivity) and solid-phase extraction (to improve sensitivity), were fully integrated into the prototypes — a significant step toward bringing advanced analytical capabilities directly to the point of need. The functional prototypes were compact, easy to use, and capable of delivering reliable results. Their applications included monitoring biotin levels in urine and detecting different metal cations in various water samples, even in challenging agricultural nutrient solutions containing strong chelating agents. By combining alternative materials, smart design, and advanced techniques, these on-site tests push the boundaries of portable chemical analysis — laying the foundation for highly capable, mass-producible diagnostic tools that can enable faster, more accurate decision-making in environmental monitoring, healthcare, and agriculture.