Bachelor's Thesis

Automation of a microfluidic system for electrochemical measurements

Final Thesis 29.69 MB Appendix 6.74 MB

Author of thesis: Tomáš Procházka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Brodský, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Imrich Gablech, Ph.D.

Abstract:

The introduction of this bachelor thesis discusses the fundamental principles and definitions
of microfluidics. The thesis also analyzes the manufacturing processes and material aspects
of microfluidic chips. The theoretical part includes a description of the most commonly
used flow regulators and analyzes the possibilities for automation and the application
of miniature solenoid valves in microfluidic systems. In the practical part, a desktop
application with a graphical user interface was developed, which communicates with a
Raspberry Pi 5 control unit. This unit handles the operation of commercial NE-1000 syringe
pumps and simultaneously controls miniature solenoid valves via a custom-designed
printed circuit board. Finally, the entire system was tested using a model experiment.

Keywords:

microfluidics, automation, Raspberry Pi, Python, solenoid valves, syringe pumps

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své bakalářské práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Komise se dotázala na spotřebu jednotlivých ventilů a projevila pochybnost o jejich vhodnosti. Komise se dotázala, zda je mikrofluidikový čip na jedno použití? Student odpověděl že čip je možno automatizovaně proplachovat, a tedy že je znovupoužitelný. Komise se dotázala na použití injekčních stříkaček, a zda by nebyly lepší pipety? Komise vznesla otázky ohledně přesnosti a hystereze stříkačkové pumpy. Student oponoval tím, že pipety neposkytují kontinuální průtok a obhájil vhodnost jím zvoleného řešení

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics and Technology (BPC-MET)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Imrich Gablech, Ph.D. (člen)
Ing. Jitka Brüstlová, CSc. (člen)
Ing. Dušan Zošiak (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Brodský, Ph.D.

Student Tomáš Procházka se ve své bakalářské práci zabýval automatizací mikrofluidního systému pro elektrochemická měření. Téma práce považuji za velmi praktické, protože propojuje mikrofluidiku, řízení laboratorních přístrojů, návrh elektroniky, programování a experimentální ověření.

Požadavky zadání byly zcela splněny. Student navrhl a realizoval systém pro řízení stříkačkových pump NE-1000 a solenoidových ventilů, včetně řídicí jednotky založené na Raspberry Pi 5, vlastní desky plošných spojů, uživatelské aplikace v jazyce Python a kompaktního mechanického šasi. Funkčnost systému byla ověřena na modelovém mikrofluidním experimentu.

Technická zpráva je logicky členěná, přehledná a svým rozsahem odpovídá bakalářské práci. Teoretická část poskytuje vhodný úvod do problematiky, praktická část dobře dokumentuje návrh a realizaci systému. Práce s literaturou je dostatečná a zdroje jsou průběžně citovány.

Hlavním přínosem práce je funkční výstup, který bude možné dále využít při vývoji a testování mikrofluidních experimentů a případně také při výuce. Během semestru student pracoval aktivně, samostatně a zodpovědně. Pravidelně komunikoval a dobře reagoval na připomínky.

Celkově práci hodnotím jako velmi zdařilou a doporučuji ji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Předmětem bakalářské práce studenta Tomáše Procházky byla automatizace mikrofluidního systému pro elektrochemická měření.

Teoretická část práce shrnuje základní principy mikrofluidiky, materiály a výrobu mikrofluidních čipů, možnosti regulace průtoku a automatizace mikrofluidních experimentů. Rozsah teoretické části je dostatečný a poskytuje vhodný základ pro praktickou část práce.

V praktické části student navrhl a realizoval systém pro řízení stříkačkových pump NE-1000 a miniaturních solenoidových ventilů. Řídicí část je založena na Raspberry Pi 5, ovládání ventilů je řešeno pomocí vlastní desky plošných spojů a celé zařízení je doplněno o mechanické šasi. Součástí práce je také desktopová aplikace v jazyce Python s grafickým rozhraním, která umožňuje nastavovat a řídit jednotlivé kroky mikrofluidního experimentu. Funkčnost systému byla ověřena na modelovém mikrofluidním experimentu se separací polystyrenových částic. Tím bylo prokázáno, že navržené řešení umožňuje synchronizované řízení pump a ventilů a je použitelné pro další mikrofluidní experimenty.

Oceňuji zejména funkční hardwarově-softwarové řešení, vlastní návrh elektroniky a praktické ověření systému. K práci mám pouze dílčí připomínky ohledně jazykové stránky. Text práce je v některých místech méně obratný a obsahuje několik stylisticky nevhodných nebo nepřesných formulací, které se do technického textu nehodí.

Vzhledem k uvedeným skutečnostem bakalářskou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji výslednou známkou A - 94 bodů. Topics for thesis defence:
  1. 1) Na kolik stříkačkových pump a solenoidových ventilů je podle Vás možné navržený systém rozšířit při zachování spolehlivého řízení? Jaké hardwarové limity by se při rozšiřování systému pro komplexnější mikrofluidní experimenty projevily jako první?
  2. 2. Bylo by možné do navrženého systému doplnit senzory tlaku, případně senzory průtoku? Jakým způsobem byste jejich signál technicky připojil k řídicí části systému a jak by se tato data dala využít pro zpětnovazební řízení experimentu?
  3. 3) Jaká je přibližná spotřeba celého navrženého systému při běžném provozu? Bylo by podle Vás možné systém provozovat jako přenosné zařízení napájené z baterie pro použití mimo laboratoř, a jak dlouho by mohl pracovat s vhodně zvolenou baterií? Jaká je přibližná spotřeba celého systému při běžném provozu? Bylo by podle Vás možné systém provozovat jako přenosné zařízení napájené z baterie pro použití mimo laboratoř, a jak dlouho by mohl pracovat s vhodně zvolenou baterií?
Points proposed by reviewer: 94

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová