Master's Thesis

Laser ablation techniques and ICP-OES as methods for elemental analysis of the kidneys and their diseases

Final Thesis 2.37 MB

Author of thesis: Bc. Vojtěch Fedra

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ludmila Čechová, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jakub Buday, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the elemental analysis and bioimaging of soft kidney tissues in a model of polycystic kidney disease (PKD). A combination of two complementary analytical techniques – laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) – was used to study the spatial distribution and total concentration of selected biogenic elements as a function of genotype, age, and sex. Elemental mapping using the LIBS technique successfully detected local changes in elemental distribution that correlate with morphological tissue degradation. These changes primarily reflect disease progression in the form of expanding cysts. Subsequent ICP-OES analysis confirmed that the presence of the mutation (mutant genotype) disrupts organ homeostasis, with the total content of most studied elements undergoing further statistically significant changes with increasing age. The results of this study demonstrate that the combination of LIBS mapping with ICP OES quantification represents an effective tool for the comprehensive assessment of pathological changes in soft tissues with sufficient potential for biomedical research.

Keywords:

laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), soft tissues, elemental mapping (bioimaging), polycystic kidney disease (PKD)

Date of defence

26.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Obhajoba diplomové práce proběhla podle následujícího schématu: prezentace studenta-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Student přednesl výborný výtah výsledků své práce, řádně zodpověděl všechny dotazy oponentské i členů komise, pohotově reagoval na připomínky. V diskusi tak student prokázal výbornou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky práce. Komise zhodnotila jeho práci celkově jako výbornou. Pekař: Kolik řezů z ledviny se zkoumalo? Kozáková: Kolik vzorků se měřilo v rámci jednoho typu? Co znamenají zkratky pro zdravou a patologickou tkáň? Vala: Jaká je výhoda používané metody?

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta chemická

Department

Institute of Physical and Applied Chemistry

Study programme

Chemistry and Chemical Technologies (NPCP_CHCHTE)

Composition of Committee

doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (předseda)
doc. Ing. Viera Jančovičová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Michal Veselý, CSc. (místopředseda)
prof. Ing. Marián Lehocký, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Martin Vala, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ludmila Čechová, Ph.D.

Diplomová práce studenta Vojtěcha Fedry se zabývá analýzami polycystického onemocnění myších ledvin pomocí technik spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) a optickou emisní spektrometrií s indukčně vázaným plazmatem (ICP-OES). První zmíněná technika, LIBS, byla použita pro pozorování elementárních změn na povrchu vzorku mezi zdravými a polycystickými ledvinami v podobě 2D elementárních distribučních map. Dále byly studovány intenzitní profily u polycystických vzorků. Druhá analytická technika, tedy ICP-OES, byla používána na stanovení celkových koncentrací prvků v analyzovaných matricích. Výsledky byly mezi oběma analytickými přístupy porovnávány.

Student během celého období řešení diplomové práce pracoval pečlivě a svědomitě. Prokázal vysokou míru samostatnosti, a to jak při teoretickém zpracování rešerše, tak i při její aplikaci při analýze vzorků. V rámci experimentální části práce byl schopen naměřit a zpracovat objemný soubor dat z dvou analytických technik. Výsledky průběžně konzultoval s vedoucími práce. Diplomová práce je psaná srozumitelně s logickým členěním a vysokou úrovní jazykového zpracování. Závěry jsou jasně a detailně formulovány v rámci obou analytických technik. Celkově působí tato předložená diplomová práce Vojtěcha Fedry velmi uceleným, pečlivě zpracovaným a odborně kvalitním dojmem a jednoznačně prokazuje jeho schopnost samostatně řešit zadanou problematiku a správně interpretovat dosažené výsledky.

Cíle této diplomové práce byly splněny a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování B
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jakub Buday, Ph.D.

Predložená diplomová práca sa zaoberá spektroskopickou analýzou mäkkých tkanív ako modelu polycystického ochorenia obličiek. Na tento účel boli využité metódy spektroskopie laserom budenej plazmy (LIBS) a optickej emisnej spektroskopie s indukčne viazanou plazmou (ICP-OES). Tematika práce je aktuálna a zaujímavá, pričom študent predkladá výsledky zamerané na spektroskopické rozdiely medzi zdravými a patologicky zmenenými obličkami, ako aj rozdiely súvisiace s pohlavím a vekom použitých laboratórnych myší. Hlavným cieľom práce bolo využiť kombináciu techník LIBS a ICP-OES na popis zmien v zastúpení biogénnych prvkov v závislosti od genotypu, veku a pohlavia jedincov. Na základe predloženej práce možno konštatovať, že tento cieľ bol splnený.
Pozitívne hodnotím aj rozsiahle štatistické spracovanie získaných dát, vrátane diskusie o štatistickej významnosti a rozdieloch medzi jednotlivými vzorkami. Táto časť je spracovaná prehľadne a systematicky, čo svedčí o schopnosti študenta orientovať sa nielen v oblasti samotných spektroskopických metód, ale aj v interpretácii a analytickom vyhodnotení získaných výsledkov.
Po formálnej stránke je práca na kvalitnej úrovni, avšak obsahuje niekoľko menších nedostatkov. Miestami sa v texte nekonzistentne používajú kurzívou písané jednotky. Rovnica 1 nie je vhodne začlenená do textu. V texte dochádza aj k opakovanému vysvetľovaniu už zavedených akronymov, ako sú LIBS či AES. Na strane 16 by bolo terminologicky presnejšie namiesto formulácie „zmenšit průměr kráteru“ uviesť „zmenšiť priemer laserového zväzku“. Podobne na strane 30 formulácia „Vzdálenost ohniska objektivu od povrchu vzorku (defokusace)“ nie je úplne presná; vhodnejšie by bolo hovoriť o vzdialenosti zaostrenej roviny laserového zväzku od povrchu vzorky. Na obrázkoch 18, 22 a 24 chýba mierka, na obrázku 25 sa nachádzajú anglické výrazy „Male“ a „Female“, a zároveň je tento obrázok mierne vizuálne neprehľadný. Pri práci s literatúrou študent uvádza citácie prevažne na konci odsekov, čo je síce bežný prístup, avšak v miestach, kde je diskutovaných viacero rozdielnych javov alebo aplikácií, môže byť nejasné, ku ktorému tvrdeniu sa konkrétna citácia vzťahuje.
Celkovo však práca pôsobí kvalitne, prehľadne a rozsiahlo spracovaná, prináša relevantné výsledky a preukazuje schopnosť študenta pracovať s odbornou literatúrou, experimentálnymi technikami aj štatistickým vyhodnotením dát. Diplomovú prácu preto odporúčam k obhajobe.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace B
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem B
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. Bolo by možné rozlíšiť skúmané parametre (vek, pohlavie, ochorenie) aj pomocou bodovej analýzy, alebo je pri metóde LIBS vždy nevyhnutné mapovanie vzoriek?
  2. Štatisticky popisujete zmeny koncentrácií skúmaných prvkov medzi zdravými a chorými obličkami. Majú tieto zmeny vždy rovnaký trend (napr. pokles všetkých prvkov), alebo dochádza pri ochorení k zvýšeniu koncentrácie niektorých prvkov a poklesu iných?
  3. Ktorá z použitých analytických metód (LIBS alebo ICP-OES) má podľa vášho názoru v tomto prípade vyššiu samostatnú výpovednú hodnotu?
  4. Myslíte si, že by metóda LIBS mohla mať potenciál pre priame využitie v klinickej diagnostike alebo nemocničnej praxi?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová