CZ2019459A3 - Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů - Google Patents
Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2019459A3 CZ2019459A3 CZ2019-459A CZ2019459A CZ2019459A3 CZ 2019459 A3 CZ2019459 A3 CZ 2019459A3 CZ 2019459 A CZ2019459 A CZ 2019459A CZ 2019459 A3 CZ2019459 A3 CZ 2019459A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- excitation
- microorganisms
- excitation radiation
- camera
- optical
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 57
- 244000005700 microbiome Species 0.000 title claims abstract description 50
- 238000011002 quantification Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 title claims abstract description 17
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 141
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 71
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 69
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 26
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 2
- 241000192700 Cyanobacteria Species 0.000 abstract description 17
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 abstract description 16
- 241000233866 Fungi Species 0.000 abstract description 16
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 abstract description 12
- 241000195940 Bryophyta Species 0.000 abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 33
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 22
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 11
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 7
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 7
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 6
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 5
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 5
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 5
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 5
- 241000206761 Bacillariophyta Species 0.000 description 4
- 230000003115 biocidal effect Effects 0.000 description 4
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000007850 fluorescent dye Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000003139 biocide Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 229930002875 chlorophyll Natural products 0.000 description 3
- 235000019804 chlorophyll Nutrition 0.000 description 3
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 3
- HSHNITRMYYLLCV-UHFFFAOYSA-N 4-methylumbelliferone Chemical compound C1=C(O)C=CC2=C1OC(=O)C=C2C HSHNITRMYYLLCV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102000004157 Hydrolases Human genes 0.000 description 2
- 108090000604 Hydrolases Proteins 0.000 description 2
- 102000004316 Oxidoreductases Human genes 0.000 description 2
- 108090000854 Oxidoreductases Proteins 0.000 description 2
- AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N Riboflavin Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H](O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O AUNGANRZJHBGPY-SCRDCRAPSA-N 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 2
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 2
- ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M chlorophyll a Chemical compound C1([C@@H](C(=O)OC)C(=O)C2=C3C)=C2N2C3=CC(C(CC)=C3C)=[N+]4C3=CC3=C(C=C)C(C)=C5N3[Mg-2]42[N+]2=C1[C@@H](CCC(=O)OC\C=C(/C)CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)[C@H](C)C2=C5 ATNHDLDRLWWWCB-AENOIHSZSA-M 0.000 description 2
- 238000010226 confocal imaging Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 2
- 238000006911 enzymatic reaction Methods 0.000 description 2
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 2
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 2
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 2
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 2
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 2
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 2
- 239000011505 plaster Substances 0.000 description 2
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 2
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 2
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 230000003449 preventive effect Effects 0.000 description 2
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 2
- 238000007790 scraping Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- KPQYDVAFRDWIBW-UHFFFAOYSA-N 5-(dimethylamino)naphthalene-1-sulfonohydrazide Chemical compound C1=CC=C2C(N(C)C)=CC=CC2=C1S(=O)(=O)NN KPQYDVAFRDWIBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZKHQWZAMYRWXGA-KQYNXXCUSA-N Adenosine triphosphate Chemical compound C1=NC=2C(N)=NC=NC=2N1[C@@H]1O[C@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OP(O)(O)=O)[C@@H](O)[C@H]1O ZKHQWZAMYRWXGA-KQYNXXCUSA-N 0.000 description 1
- ZKHQWZAMYRWXGA-UHFFFAOYSA-N Adenosine triphosphate Natural products C1=NC=2C(N)=NC=NC=2N1C1OC(COP(O)(=O)OP(O)(=O)OP(O)(O)=O)C(O)C1O ZKHQWZAMYRWXGA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000002260 Alkaline Phosphatase Human genes 0.000 description 1
- 108020004774 Alkaline Phosphatase Proteins 0.000 description 1
- 241000228212 Aspergillus Species 0.000 description 1
- 108020004256 Beta-lactamase Proteins 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 229920002101 Chitin Polymers 0.000 description 1
- 241000195628 Chlorophyta Species 0.000 description 1
- AUNGANRZJHBGPY-UHFFFAOYSA-N D-Lyxoflavin Natural products OCC(O)C(O)C(O)CN1C=2C=C(C)C(C)=CC=2N=C2C1=NC(=O)NC2=O AUNGANRZJHBGPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004435 EPR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- OVRNDRQMDRJTHS-FMDGEEDCSA-N N-acetyl-beta-D-glucosamine Chemical compound CC(=O)N[C@H]1[C@H](O)O[C@H](CO)[C@@H](O)[C@@H]1O OVRNDRQMDRJTHS-FMDGEEDCSA-N 0.000 description 1
- 102000004459 Nitroreductase Human genes 0.000 description 1
- 108010053210 Phycocyanin Proteins 0.000 description 1
- 229920005830 Polyurethane Foam Polymers 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000001479 atomic absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 102000005936 beta-Galactosidase Human genes 0.000 description 1
- 108010005774 beta-Galactosidase Proteins 0.000 description 1
- 102000006635 beta-lactamase Human genes 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 238000005415 bioluminescence Methods 0.000 description 1
- 230000029918 bioluminescence Effects 0.000 description 1
- 239000000090 biomarker Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000001752 chlorophylls and chlorophyllins Substances 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000001218 confocal laser scanning microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011157 data evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000014670 detection of bacterium Effects 0.000 description 1
- 230000010244 detection of fungus Effects 0.000 description 1
- 238000004455 differential thermal analysis Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000002845 discoloration Methods 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- -1 facades Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 239000011451 fired brick Substances 0.000 description 1
- 238000001917 fluorescence detection Methods 0.000 description 1
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 102000034287 fluorescent proteins Human genes 0.000 description 1
- 108091006047 fluorescent proteins Proteins 0.000 description 1
- 239000006261 foam material Substances 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000010794 food waste Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 210000004209 hair Anatomy 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000007901 in situ hybridization Methods 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000010985 leather Substances 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000004579 marble Substances 0.000 description 1
- 239000002207 metabolite Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 229930027945 nicotinamide-adenine dinucleotide Natural products 0.000 description 1
- BOPGDPNILDQYTO-NNYOXOHSSA-N nicotinamide-adenine dinucleotide Chemical compound C1=CCC(C(=O)N)=CN1[C@H]1[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OC[C@@H]2[C@H]([C@@H](O)[C@@H](O2)N2C3=NC=NC(N)=C3N=C2)O)O1 BOPGDPNILDQYTO-NNYOXOHSSA-N 0.000 description 1
- 108020001162 nitroreductase Proteins 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 239000011146 organic particle Substances 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 239000011496 polyurethane foam Substances 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000002151 riboflavin Substances 0.000 description 1
- 229960002477 riboflavin Drugs 0.000 description 1
- 235000019192 riboflavin Nutrition 0.000 description 1
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 description 1
- 210000002374 sebum Anatomy 0.000 description 1
- 229930000044 secondary metabolite Natural products 0.000 description 1
- 239000012781 shape memory material Substances 0.000 description 1
- 210000004927 skin cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000004441 surface measurement Methods 0.000 description 1
- 210000004243 sweat Anatomy 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
- G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/02—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
- C12Q1/04—Determining presence or kind of microorganism; Use of selective media for testing antibiotics or bacteriocides; Compositions containing a chemical indicator therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/02—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
- C12Q1/04—Determining presence or kind of microorganism; Use of selective media for testing antibiotics or bacteriocides; Compositions containing a chemical indicator therefor
- C12Q1/06—Quantitative determination
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0235—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using means for replacing an element by another, for replacing a filter or a grating
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0291—Housings; Spectrometer accessories; Spatial arrangement of elements, e.g. folded path arrangements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
- G01J3/4406—Fluorescence spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6486—Measuring fluorescence of biological material, e.g. DNA, RNA, cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/94—Investigating contamination, e.g. dust
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N2021/635—Photosynthetic material analysis, e.g. chrorophyll
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
- G01N2021/6419—Excitation at two or more wavelengths
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
- G01N2021/6421—Measuring at two or more wavelengths
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
- G01N2021/6463—Optics
- G01N2021/6471—Special filters, filter wheel
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N2021/8466—Investigation of vegetal material, e.g. leaves, plants, fruits
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features
- G01N2021/8845—Multiple wavelengths of illumination or detection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/02—Mechanical
- G01N2201/022—Casings
- G01N2201/0221—Portable; cableless; compact; hand-held
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/06—Illumination; Optics
- G01N2201/062—LED's
- G01N2201/0627—Use of several LED's for spectral resolution
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/06—Illumination; Optics
- G01N2201/064—Stray light conditioning
- G01N2201/0646—Light seals
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Pathology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Biophysics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Předmětem vynálezu je mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů, zejména plísní, bakterií, řas, sinic, mechů a lišejníků, na povrchu materiálů zahrnující zdroj excitačního záření pro excitaci detekovaného povrchu materiálu a kameru pro fluorescenční snímání excitovaného povrchu materiálu opatřenou paměťovým modulem pro ukládání snímků z kamery,jehož podstata spočívá v tom, že dále zahrnuje excitační optickou komoru s otvorem pro umístění na detekovaný povrch materiálu, ve které jsou uzavřeny soustava zdrojů excitačního záření, kamera, soustava optických emisních filtrů posuvných jednotlivě do zorného pole kamery a propouštějících vlnové délky odpovídající fluorescenčním signálům vyvolaným excitačním zářením zdrojů excitačního záření a charakteristickým pro jednotlivé skupiny organismů a řadič emisních filtrů pro posun optických emisních filtrů do zorného pole kamery.
Description
Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů
Oblast techniky
Vynález se týká zařízení pro nedestruktivní detekci a kvantifikaci organismů, které rozkládají povrchy materiálů a jsou schopny prorůstat do hloubky těchto materiálů, např. betonu, fasád, dřeva, plastů, ale i přírodního kamene v případě soch apod., čímž způsobují jejich destrukci.
Dosavadní stav techniky
Mikrobiální kontaminace různých povrchů je reálný problém hygienický, estetický i technologický, a proto jsou vyvíjeny stále nové, přesnější a co možná nejjednodušší metody detekce přítomnosti, rozlišení a kvantifikace organismů narůstajících na površích. Fotoautotrofní anebo mixotrofní společenstva sinic, řas, bakterií a hub se přirozeně vyskytují na různých površích v přírodě, od povrchu půdy přes například povrch kůry stromů až po povrch kamenů a skal, kde nutnou podmínkou je alespoň dočasná dostupnost vody a atmosférické znečištění jako zdroj živin, které tyto organismy dokáží velmi účinně využívat. Svou metabolickou aktivitou však dokáží zároveň ničit, korodovat původní substráty a materiály, na kterých narůstají (Zanardini et al., 2019). Často jsou za biokorozi zodpovědné sinice (Gaylarde et al., 2018), nebo houby (Boniek et al., 2017; Mejia et al., 2019) a lišejníky (Sohrabi et al., 2017). V antroposféře jsou vhodným povrchem pro tato společenstva povrchy a konstrukce staveb, ať už ze dřeva, přírodních hornin, nebo z umělých stavebních materiálů, např. betonu. Společenstva mikroorganismů tak mohou vedle klimatických podmínek výrazně přispívat ke zhoršování deterioraci kvality povrchu a integrity struktury stavební hmoty, způsobovat její (bio)korozi (Warscheid and Braams, 2000) a zvyšovat riziko jejího rozpadu a znehodnocení celé stavby, nebo zvyšovat náklady nutné na její opravy a údržbu. Mikrobiální společenstva vytváří problémy, ke kterým patří například změna barvy povrchů, zadržování vody, případně následná mechanická destrukce mrazem, povrchová i hloubková koroze materiálů, zvýšení jejich křehkosti, leptání, zpuchýřování omítek, fyzikální poškození povrchů a zvýšení propustnosti pro vodu a tím i pro další organismy apod.
Pro správný odhad poškození a způsobu ošetření materiálů je nutné poznat co nejpřesněji rozsah a složení mikrobiálního společenstva kontaminujícího povrchové vrstvy. Existuje řada metod, jak detekovat, rozlišit a kvantifikovat mikroorganismy tvořící biofilmy. Přehled základních skupin metod je popsán např. v práci Sanmartin et al. (2018), ze které je zřejmé, že podstatou současných metod je potřeba odebrat vzorky seškrabem a přenést je k určení složení do laboratoře.
Mezi nejpřesnější z hlediska určení taxonomické příslušnosti mikroorganismů patří molekulární metody zaměřené na detekci specifických biomolekul - nukleových kyselin, např. úseků DNA a RNA nesoucích specifické geny (Mejia et al., 2019; Zanardini et al., 2019), enzymů nebo sekundárních metabolitů (Boniek et al., 2017; Sohrabi et al., 2017). Tyto metody jsou však v současnosti stále velmi nákladné a náročné na vybavení laboratoří. Navíc vyžadují nejen fyzický odběr materiálu, ale nezřídka i následnou, časově, odborně i materiálově náročnou kultivaci odebraných mikroorganismů v laboratorních podmínkách.
Druhou skupinu detekčních metod tvoří již dříve běžně používaná mikroskopická pozorování pomocí optické nebo elektronové mikroskopie (Gaylarde et al., 2017; Gaylarde et al., 2018), nebo novější metody využívající optických vlastností zkoumaných mikroorganismů absorbance, reflektance a spektroskopické vlastnosti jako luminiscence nebo fluorescence. Zatímco pro mikroskopii je obvykle též nutné destruktivně odebrat vzorky, ostatní optické metody je dnes již možné aplikovat in situ, nemusí být nutně destruktivní a jejich náročnost a
- 1 CZ 2019 - 459 A3 přesnost záleží na konkrétní použité metodice a hodnoceném parametru. Z dalších technik využitelných pro přímé pozorování a studium vlivu mikroorganismů na stavební materiály či materiály památek kulturního dědictví můžeme jmenovat přímé pozorování, optickou a fluorescenční mikroskopii, skenovací mikroskopii (Nuhoglu et al 2017), konfokální laserovou skenovací mikroskopii, atomovou absorpční spektroskopii, diferenciální termální analýzu, elektronovou paramagnetickou resonanci (EPR) a řadu dalších, které uvádí např. Gaylarde et al. (2017, 2018). Pro výše uvedené metody je však nutný odběr vzorků například seškrabem, což může vést k destrukci povrchu objektu. V řadě případů, zejména u památkově chráněných objektů, je ale mechanické poškození odběrem materiálu nežádoucí a cílem je proto využití nedestruktivních a bezkontaktních metod pro detekci biotické kontaminace.
V případě fluorescenčních metod je možné využít auto fluorescenci vlastní danému mikroorganismu, nebo pozorovat fluorescenci umělých barviv a chemických sond, vyvolanou kontaktem takové látky s buňkami mikroorganismů nebo, podobně jako v případě molekulárních metod, se specifickými biomolekulami (Gonzalez-Perez et al., 2017). Vlastnosti fluorescenčního signálu, jako intenzita nebo emisní spektrum a posuny v něm, mohou být využity nejen k detekci přítomnosti mikroorganismů, ale také k jejich rozlišení do taxonomických skupin (minimálně bakterie, sinice, řasy a plísně), určení životaschopnosti nebo kvantifikaci. Fluorescenčně lze detekovat jak přítomnost organismů (autofluorescence řas, sinic), tak indukovanou fluorescenci metabolitů (ATP, polysacharidy DNA apod.) nebo metabolickou aktivitu mikroorganismů (fotosyntéza, hydrolázy, oxidázy atd.). Tato měření však vyžadují také nákladné laboratorní přístroje a stabilní analytické podmínky.
Proto jsme se zaměřili na metody in-situ, které mohou být využity pro kontrolu biokoroze a mohou sloužit pro ochranu a prevenci poškození staveb, tedy metody včasného varování na počátku rozvoje mikroorganismů. Cílem je dosáhnout komplexního pohledu na skupiny mikroorganismů (od plísní, hub a bakterií po řasy a sinice) a na jejich roli v procesu biokorozí, protože biodeteriorace není způsobená nikdy pouze jedním druhem mikroorganismu, ale je výsledkem aktivity smíšeného mikrobiálního společenstva v určité fázi vývoje na daném objektu.
Je jen velmi málo metod in situ, které by nebyly nákladné, a přitom detekovaly celou škálu mikroorganismů. Byla testována metoda Fluorescence In-Situ Hybridization (FISH) (Gonzáles et al. 2014), která se jeví jako levná, relativně rychlá a jednoduchá analytická metoda pro detekci hub na mramoru. Pro další organizmy nebyla zatím testována.
Vzhledem k potřebnosti detekce mikroorganismů na površích byly patentovány přístroje, které se touto problematikou zabývají, například patentový spis číslo DE 10244819 popisuje zařízení pro detekci fluorescenčního materiálu na technickém povrchu, které má schopnost detekce fluorescenčního materiálu na povrchu, využívá nedestruktivní metodu detekce a rozlišení plochy elektrických kontaktů a nečistot na nich, např. zbytků plastové izolace. Přístroj není ale schopen detekovat ani kvantifikovat jednotlivé skupiny mikroorganismů a vlastní měření není možné za plného osvětlení nebo slunečního svitu v přírodních podmínkách, které snižuje citlivost na snímanou fluorescenci.
Dalším zajímavým přístrojem, který byl patentován, je zařízení pro detekci biotické kontaminace na povrchu popsané v patentovém spisu č. DE 19906047. Umožňuje fluorescenční in situ detekci zbytků buněk mikrobů, zbytků buněk kůže, zbytků jídla, vlasů, potu, kožního mazu a organických částic obecně bez bližšího rozlišení, na principu excitace NAD(P)H nebo riboflavinu. Tento přístroj však není schopen rozlišit jednotlivé skupiny organismů, ani stanovit jejich poměr nebo je kvantifikovat. Další technické řešení detekce a kvantifikace nárostových společenstev je popsáno v přihlášce vynálezu US 2006/0275847 Al, která popisuje automatizovaný způsob detekce biofilmu s fluorescenčními částicemi na pevném povrchu s využitím konfokálního zobrazovacího systému. Způsob zahrnuje skenování biofilmu pomocí záření, detekci fluorescenci emitujících částic v biofilmu, získání obrazových dat a zpracování těchto dat pomocí PC. Konfokální zobrazovací systém zahrnuje zdroj záření, fokusovací optiku,
-2CZ 2019 - 459 A3 detektor a skenovací zařízení pro skenování biofilmu ve více rovinách. Fluorescenční částicí může být fluorescenční protein (např. GFP) nebo produkt enzymatické reakce (např. βgalaktozidázy, nitroreduktázy, alkalické fosfatázy, β-laktamázy) nebo fluorescenční sloučenina. S výhodou je pevným povrchem mikrotitrační destička. Nevýhodou tohoto řešení je, že nerozlišuje jednotlivé skupiny organismů, z principu ani nemůže odděleně kvantifikovat jednotlivé skupiny organismů, ale sleduje biofilm a jeho růst jako celek.
Zajímavým technickým řešením se zabývá patentový spis US 2013/0266977 Al, který popisuje způsob detekce mikroorganismů na pevném povrchu na základě reakce substrátu vybraného mikrobiálního enzymu, na který je konjugovaná detekovatelná, např. fluorescenční, značka, a samotného mikrobiálního enzymu, který je přítomen pouze v přítomnosti mikroorganismů. Po enzymatické reakci je detekovatelná značka uvolněna a poskytuje luminiscenční signál v IR, VIS nebo UV spektru vůči kontrole o známé koncentraci značky. Detekce mikrobů může probíhat in situ, bez předchozího rozpuštění vzorků v médiu. Tento spis dále popisuje nefluidní systém pro detekci mikroorganismů na pevném povrchu zahrnující vzorkovací modul s alespoň jednou testovací plochou a jednou kontrolní plochou, zařízení detekující záření (zdroj a detektor), PC modul a displejový modul. Na testovací ploše je imobilizovaný substrát mikrobiálního enzymu (např. N-acetyl-β-D-glukozaminid, N-acetyl-β-D-glukozamín, N,N-diacclyl-β-l)-chitobiozid, βD-N,N,N-triacetylchitotrióza), na který je konjugovaná detekovatelná, např. fluorescenční značka (např. 4-methylumbelliferon). Tento přístroj je schopen detekovat plísně a bakterie, na které je dominantně zaměřen, ale v signálu, který detektor měří, jsou také další mikroorganismy, které přístroj nerozeznává. Kvalitativně a kvantitativně je schopen rozeznat bakterie a plísně, není však schopen rozeznat v jednom snímku/pozici současně všechny skupiny organismů, které jsou důležité pro biokoroze materiálů (sinice, řasy, bakterie, plísně, mechy, lišejníky, minerální a mechanické nečistoty).
Mechanické a minerální nečistoty na površích umí od mikroorganismů rozeznat řešení popsané v patentu US 7190457 B2, který využívá fluorescenci pro in situ bezdotykovou kvantifikaci mikroorganismů na površích. Tento patent popisuje monitorovací systém biofilmu v reálném čase, zahrnující alespoň jednu sondu z optických vláken a optoelektronické rozhraní se systémem sběru dat. Sonda je opatřena alespoň jedním excitačním a alespoň jedním emisním filtrem, přičemž sonda detekuje fluorescenci inherentního biomarkeru daného mikroorganismu (např. aminokyselina, ATP, NADH, chlorofyl, bioluminiscence), a dále je volitelně opatřena excitačním referenčním kanálem pro korekci spektrální interference s nebiologickými materiály (např. CaCOs, MgSO4). Americký patent dále popisuje způsob detekce mikroorganismů pomocí fluorescence, přičemž optické vlákno je rozděleno na dvě větve, kde první větev excituje analyt a druhá větev detekuje emisi. Způsob lze volitelně využít na vzorky skla, polykarbonátu, kovu nebo nátěrové barvy, a to z prostředí procesní kapaliny, výměníku tepla, továrny (např. vyrábějící mikroelektronické součástky nebo potraviny, papírny či dřevozpracovatelská zařízení) a další zařízení pro zacházení s tekutinami. Nevýhodou tohoto zařízení je, že není konstruováno jako mobilní zařízení pro měření v terénu bez elektrického zdroje, a také to, že kvantifikuje chlorofyl jako sumu a nerozliší prokaryotické sinice od eukaryotických řas, což je velmi důležité z hlediska biokorozí, protože sinice jsou podstatně agresivnější a aktivnější v rozkladu materiálů a pronikání do hloubky materiálů než řasy. Základní nevýhodou tohoto systému je také příliš malá plocha detektoru, který využívá optická vlákna, což je pro praktické použití naprosto zásadní parametr, protože přírodní biofilmy jsou velmi heterogenní a je-li detektor tak malého průměru jako zde, je vhodný například pro biofilmy potrubí, nebo vnitřní povrchy chladicích věží. Avšak přírodní společenstva, která se podílejí na rozkladu materiálů, jsou přirozeně velmi různorodá a s touto sondou by bylo pro spolehlivé zhodnocení různorodosti povrchu nutno naměřit desítky míst, což je podstatná praktická nevýhoda.
-3 CZ 2019 - 459 A3
Podstata vynálezu
Výše uvedené limitace a nevýhody, zejména neschopnost selektivní detekce různých skupin organismů autofluorescencí nebo fluorescencí po reakci s fluorescenčním barvivém mezi kamerou a detekovaným povrchem přímo v terénu a eliminaci vnějších rušivých vlivů, řeší mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů, zejména plísní, bakterií, řas, sinic, mechů a lišejníků, na povrchu materiálů zahrnující zdroj excitačního záření pro excitaci detekovaného povrchu materiálu a kameru pro fluorescenční snímání excitovaného povrchu materiálu opatřenou paměťovým modulem pro ukládání snímků z kamery, jehož podstata spočívá v tom, že dále zahrnuje excitační optickou komoru s otvorem pro umístění na detekovaný povrch materiálu, ve které jsou uzavřeny soustava zdrojů excitačního záření, kamera, soustava optických emisních filtrů posuvných jednotlivě do zorného pole kamery a propouštějících vlnové délky odpovídající fluorescenčním signálům vyvolaným excitačním zářením zdrojů excitačního záření a charakteristickým pro jednotlivé skupiny organismů a řadič emisních filtrů pro posun optických emisních filtrů do zorného pole kamery.
Zařízení dle vynálezu umožňuje plošné zobrazení, skupinovou detekci a kvantifikaci organismů, které svým výskytem, růstem a metabolismem poškozují mechanické, funkční a estetické kvality materiálů. Zařízení detekuje a kvantifikuje organismy na základě fluorescenčních signálů charakteristických pro jednotlivé skupiny organismů, jako jsou řasy, sinice, rozsivky, plísně, bakterie, mechy a lišejníky.
Podstatná výhoda oproti dosud známým zařízením spočívá v tom, že zařízení umožňuje nedestruktivní analýzu, není nutno odebírat vzorek a zařízení kvantifikuje všechny organismy z jednoho místa, v rámci jedné série měření, čímž se podstatně zlepší interpretační potenciál získaných dat.
Fluorescenčně lze zařízením v závislosti na použitých filtrech a dle potřeby po provedeném nástřiku detekovat přítomnost organismů - autofluorescencí, například chlorofylů, fykocyaninu apod., nebo indukovanou fluorescenci, například extracelulámích polysacharidů bakterií, chitin plísní a hub apod., nebo metabolickou aktivitu těchto mikroorganismů, například fotosyntézu, hydrolázy, oxidázy atd. Detekce ATP a DNA přítomné v každé buňce známá ze starších řešení neumožňuje selektivní detekci přítomných organismů, ale sleduje biofilm a jeho růst jako celek.
Díky soustavě posuvných optických emisních filtrů má zařízení dle vynálezu univerzální použití pro rozpoznání a kvantifikaci řas, sinic, bakterií, plísní, mechů a lišejníků na površích různých materiálů a může být využito konkrétně například k:
- Detekci účinnosti biocidního ošetření v chladicích věžích, vodárenských provozech, veřejných prostorech sklepů, omítek a povrchů chodeb a budov, či přírodních povrchů jeskyní s cílem rozpoznat, kvantifikovat a prokázat, zda bylo biocidní ošetření účinné. Současně je v takových případech přístroj použit pro průběžný monitoring a načasování další aplikace biocidu.
- Dokumentaci a kvantifikaci záměrně pěstovaných mikrobiálních biofilmů, určených k dočištění vody a rozkladu farmak a pesticidů, kde je nutné pro jejich účinnost kontrolovat dostatečnou biomasu a diverzitu organismů.
- Detekci dominantních skupin mikroorganismů a jejich kvantifikaci na fasádách, sochách, uměleckých artefaktech, kde mikroorganismy svým růstem způsobují nežádoucí černé, žluté,
-4CZ 2019 - 459 A3 zelené, červené či jiné zabarvení a tím snižují jejich estetickou hodnotu. V takovém případě lze přístroj používat i preventivně v režimu včasného varování, protože přístroj je díky fluorescenční excitaci mnohem citlivější než lidské oko a rozliší konsorcia mikroorganismů již v počátku jejich růstu.
- Nejčastější využití přístroje je v oblasti biokorozí materiálů, kde mikroorganismy svou metabolickou činností narušují mechanickou strukturu a mění chemické složení betonu, pálených cihel a tašek, pískovce, vápence, dřeva či například omítek a fasád. V takovém případě je důležité vědět nejen kolik, ale především jaké skupiny mikroorganismů se na površích vyskytují, protože například sinice, plísně a lišejníky produkují enzymy, které rozleptají strukturu materiálů a aktivně prorůstají do puklin, které samy aktivně vytvářejí. Zelené řasy, rozsivky, nebo mechy působí estetické problémy, ale nejsou tak agresivní v hloubkové korozi materiálů. Proto je nutné, aby přístroj uměl rozpoznat a kvantifikovat tyto organismy a umožnil tak rozlišit jejich škodlivost. Přístroj dle předložené invence je navíc schopen prostorově zobrazit rozložení a heterogenitu jednotlivých skupin organismů, což je velmi důležité z praktického hlediska, kdy je nutno mít podklady pro rozhodování o vhodné metodě prevence, či technologii odstranění, včetně kontroly účinnosti těchto technologií.
Optické emisní filtry se během měření posouvají jednotlivě jeden po druhém do zorného pole kamery, čímž dochází během jednoho měření postupně ke snímání fluorescence o různých vlnových délkách odpovídajících propustnosti filtrů. Optické emisní filtry mohou být uspořádány v soustavě např. za sebou v jedné přímce, ale s výhodou budou rozmístěny v kruhu, kdy řadičem emisních filtrů bude otočný cylindr. V takovém případě optické emisní filtry pomocí otočného cylindru do zorného pole kamery rotují. Posloupnost měření jednotlivých vlnových délek se automaticky opakuje, díky čemuž mohou probíhat měření opakovaně, např. po přesunu na sousední plochy zkoumaného materiálu, aniž by bylo třeba přestavovat optické emisní filtry před každým měřením. Řadič emisních filtrů je poháněn servomotorem a výměna emisních filtrů je automatizována a koordinována připojenou řídicí jednotkou.
Pro detekci konkrétní skupiny organismů je třeba generovat příslušné excitační záření o požadovaných vlnových délkách a pro snímání použít odpovídající optický emisní filtr. V závislosti na požadované míře selektivity měření jsou tedy kamerou pro fluorescenční snímání excitovaného povrchu materiálu prováděna opakovaně snímání měřeného povrchu za využití různých kombinací excitačního záření a optických emisních filtrů. Např. pro detekci řas je obvykle využita autofluorescence fotosyntetických pigmentů při kombinaci záření excitační vlnové délky 465 nm a emisního filtru propustného pro vlnové délky 680 nm, pro sinice je vhodné excitační záření o vlnové délce 595 nm a emisní filtr propouštějící vlnové délky 650 nm, pro rozsivky excitační záření 520 nm, emisní filtr propouštějící 680 nm, mechy jsou odlišitelné z makroskopické fotografie analýzou obrazu a spektry identickými se spektrem pro řasy. Plísně jsou obarveny fluorogenním činidlem kalkofluor s excitační vlnovou délkou 365 nm a charakteristickou emisí 420 nm a bakterie jsou obarveny pomocí fluorogenního činidla danzylhydrazinu s excitací při 365 nm a emisí 520 nm. Lišejníky jsou detekovány kombinací makroskopické fotografie a fluorescenčních spekter pro řasy, sinice a plísně. V praxi nemusí být každá pozice v soustavě emisních filtrů zaplněna filtrem a je možné ponechat volné pozice pro montáž nebo výměnu, tedy pro případné budoucí vyplnění požadovaným typem filtru pro jakákoliv další specifická fluorescenční měření v závislosti na požadovaném účelu měření, například metabolické aktivity, hodnocení účinnosti biocidů, nebo kvantifikaci biologické aktivity biofilmů pro degradace polutantů. Optické emisní filtry v zařízení dle vynálezu jsou s výhodou vyměnitelné a nahraditelné jiným typem optického excitačního a/nebo emisního filtru pro detekci fluorescence, např. pro měření metabolické aktivity, hodnocení účinnosti biocidů, kvantifikaci biologické aktivity biofilmů pro degradace polutantů.
Aby bylo možné provádět dostatečně citlivá měření i za plného osvětlení nebo slunečního svitu v přírodních podmínkách, jsou zdroj excitačního záření a kamera uzavřeny v excitační optické komoře s otvorem pro umístění na detekovaný povrch materiálu. Kamera v excitační optické
-5 CZ 2019 - 459 A3 komoře snímá povrch materiálu otvorem excitační komory. Toto uspořádání excitačního zdroje a kamery zajišťuje izolaci excitační komory od okolních zdrojů světla, minimalizuje jejich rušivé vlivy a minimalizuje rušivou reflektanci lesklých zkoumaných povrchů. Zařízení tak detekuje fluorescenci vzniklou excitací již malého množství organismů.
Excitační komora je vymezena tuhým krytem bez optických rušivých vlastností pro zabránění průniku okolního světla do excitační optické komory, přičemž tento kryt je pro přitlačení k povrchu materiálu opatřen límcem tvarově přizpůsobitelným nerovnému povrchu. Vhodným materiálem pro límec je pružný tmavý materiál bez tvarové paměti, například měkčený pěnový polyuretan. Takovým límcem je možné překrýt nerovnosti i v rozsahu 1 až 2 cm. Pro silnější přitlačení krytu excitační optické komory k měřenému povrchu jsou na protilehlých stranách zařízení dle vynálezu vytvořena alespoň dvě opěrná místa propojená s rámem zařízení, například rukojeť a přítlačná ploška umístěná na protilehlé straně, vedle displeje.
V excitační optické komoře jsou umístěny nad otvorem excitační komory zdroje excitačního záření, přičemž každému optickému emisnímu filtru odpovídá alespoň jeden zdroj excitačního záření, jak bylo uvedeno výše. Ve výhodném provedení je v excitační optické komoře pro každý optický emisní filtr uspořádáno více zdrojů excitačního záření. Výhodně jsou zdroje excitačního záření uspořádány rovnoměrně na kružnici souosé s otvorem excitační komory, např. v případě tří zdrojů excitačního záření v úhlu 120°, a vůči povrchu jsou nakloněny v úhlu 45° až 60°, v praxi se ukázal jako výhodný úhel náklonu k povrchu o velikosti 53°. Tímto jsou minimalizovány nežádoucí reflektance, rušivé odrazy od vlhkých povrchů a jiné zdroje optických artefaktů, a zároveň je i ideálně osvětlen nerovný povrch, čímž je minimalizováno stmění nerovnostmi měřeného povrchu, ke kterému dochází v případě použití jednoho zdroje excitačního záření nebo při nevhodném umístění více takových zdrojů.
Zdroje excitačního záření pro excitaci detekovaného povrchu materiálu mohou být v základním provedení LED vydávající záření požadovaných vlnových délek, které nepotřebují dodatečnou optickou korekci. V případě požadavku na selektivní detekci mikroorganizmů je totiž třeba v excitační komoře umístit přesné zdroje excitačního záření, které nepotřebují již optické korekce filtrem, a to v počtu odpovídajícímu násobkům počtu použitých optických emisních filtrů. Například pro 6 optických emisních filtrů je, v případě použití vždy tří zdrojů excitačního záření rozmístěných po kružnici v odstupu po úhlu 120° pro každý filtr, celkem potřeba 18 LED.
Ve výhodném alternativním provedení je v excitační optické komoře uspořádána soustava univerzálních širokospektrálních zdrojů excitačního záření, např. širokospektrálních LED, přičemž každému univerzálnímu širokospektrálnímu zdroji excitačního záření odpovídá soustava optických excitačních filtrů předřaditelných jednotlivě před daný zdroj excitačního záření, aby na měřený povrch dopadlo vždy záření s požadovaným spektrem vlnových délek, a dále řadič excitačních filtrů pro posun optických excitačních filtrů před příslušné zdroje excitačního záření. V případě tří širokospektrálních zdrojů excitačního záření budou tyto zdroje uspořádány rovnoměrně na kružnici souosé s otvorem excitační komory v úhlu 120° a vůči povrchu jsou nakloněny v úhlu 45° až 60°, v praxi se ukázal jako výhodný úhel 53°. Tímto jsou, jak bylo již uvedeno výše, minimalizovány nežádoucí reflektance, rušivé odrazy od vlhkých povrchů a jiné zdroje optických artefaktů, a zároveň ideálně osvětlen i nerovný povrch, čímž je minimalizováno stínění nerovnostmi měřeného povrchu. U těchto alternativních provedení odpovídá počet a spektrální propustnost optických excitačních filtrů počtu a spektrální propustnosti korespondujících emisních filtrů. Optické excitační filtry mohou být uspořádány v soustavě, např. v jedné přímce, ale s výhodou budou rozmístěny v kruhu, kdy řadičem excitačních filtrů bude otočný cylindr.
Jednotlivé soustavy optických excitačních filtrů mohou být polohovatelné ručně a nezávisle na sobě a také nezávisle na soustavě optických emisních filtrů. Ovšem vzhledem k tomu, že při každém jednotlivém měření je třeba zajistit správnou volbu všech optických excitačních filtrů a
-6CZ 2019 - 459 A3 jim odpovídajícího emisního filtru, je vhodnější, když je aktivace příslušných zdrojů excitačního záření a polohování všech filtrů v soustavách řízeno připojenou řídicí jednotkou.
V ještě výhodnějším provedení jsou všechny optické excitační a emisní filtry uspořádány na jednom společném rotačním řadiči filtrů, který je tvořen vnějším prstencem s pozicemi pro optické excitační filtry rotujícím pod zdroji excitačního záření a vnitřním prstencem s pozicemi pro optické emisní filtry souosým s vnějším prstencem a rotujícím v zorném poli kamery, která je umístěna mimo osu prstenců. Tímto je zajištěno, že při každém měření a po každé rotaci řadiče filtrů budou vždy využívány stejné kombinace pozic optických excitačních i emisních filtrů. Toto řešení tedy jednak minimalizuje počet nutných zdrojů excitačního záření při zachování selektivity detekce a minimalizaci nežádoucích optických artefaktů a stmění a jednak brání možnosti záměny optických excitačních a emisních filtrů při jednotlivých měřeních.
V případě požadavku na následné zpracování dat do plošného zobrazení ve formě map znázorňujících rozmístění a kvantitu těchto jednotlivých skupin mikroorganismů na displeji v místě měření bude zařízení dle vynálezu dále zahrnovat na kameru a její paměťový modul dále napojenou jednotku pro zpracování obrazových dat a k ní připojený displej (zobrazovací zařízení) pro zobrazení mapy. Zařízení takto umožní vizualizaci přímo v terénu na vestavěné obrazovce.
Algoritmus zpracování obrazuje v takovém provedení dvoukrokový. V prvním kroku kombinuje pomocí HDR - High Dynamic Range techniky sekvenci obrazů pořízených s různou expoziční dobou do jediného obrazu představujícího plošnou mapu intenzity emisní odezvy zkoumaného vzorku. Převodní křivky jsou při kalibraci stanoveny pomocí Debevecova algoritmu. V druhém kroku je na každý pixel emisní mapy aplikována převodní GAM - Genealize Additive Model funkce, která byla v kalibračním kroku optimalizována pomocí technik robustní regrese.
S výhodou je displej proveden jako dotykový, díky čemuž může nejen informace prezentovat, ale také přijímat uživatelské pokyny. Displej bude v praxi s výhodou usazen v rámu displeje, který bude pevně nebo pohyblivě spojen s hlavním rámem zařízení. Zařízení v tomto provedení je mobilní a je použitelné pro měření, zpracování a prezentování dat přímo v terénu bez nutnosti odběru vzorků, poškození povrchů a nutnosti laboratorního zpracování vzorků.
Z hlediska konstrukčního jsou kamera a servomotor zařízení dle vynálezu zasazeny do hlavního rámu, k jehož spodní straně je otočně připojen cylindr s filtry a zdroje excitačního záření a pod tímto cylindrem je ve spodní části zařízení pevně k hlavnímu rámu připojen kryt excitační komory, který dále navazuje na plášť zařízení. V horní části pláště je zasazen displej spojený s řídicí jednotkou pro průběžné zobrazení výsledků měření, vedle displeje je uspořádáno opěrné místo s přítlačnou ploškou. Displej může být zasazen v pomocném rámu displeje. Zařízení dle vynálezu dále s výhodou zahrnuje přítlačné ložisko, které přitlačuje otočný cylindr s filtry tak, aby se točil v požadované poloze.
Pro zajištění mobility je zařízení dle vynálezu provedeno jako kompaktní, kdy k rámu zařízení je připojena rukojeť. V takovém provedení může být zařízení snadno manipulováno, přenášeno i přikládáno k povrchu zkoumaného materiálu.
Zařízení může být napájeno z veřejné sítě, případně z akumulátorů. V případě kompaktního mobilního provedení může být akumulátor elektrické energie umístěn v rukojeti zařízení.
Základní vlastností nárostových společenstev je jejich různorodost, což značně komplikuje jejich hodnocení. Je běžné, že kolonie plísně Aspergillus je terčík o průměru několika milimetrů, takže s přístroji s menším průměrem sondy je lze snadno minout, ale jde o organismus, který ničí beton, plasty, kůži, tkaniny i papír. Podstatnou výhodou zařízení dle vynálezu je schopnost dokumentovat plošné rozložení organismů na površích a tím výrazně zlepšit interpretaci měření a dokumentovat přirozenou heterogenitu. Další podstatnou výhodou řešení dle vynálezu je velká plocha záběru oproti stávajícím zařízením, čímž postihuje přirozenou heterogenitu přírodních
-7 CZ 2019 - 459 A3 nárostových společenstev a tím dále zvyšuje informační hodnotu naměřených dat, které je dosaženo návrhem optické excitační komory obklopené krytem, který definuje otvor pro snímání povrchu, s výhodou kruhový. Při snímání povrchu v kruhu o průměru např. 13 cm je riziko, že není v této ploše detekovatelná kolonie mikroorganismu, minimální. Zařízení dle vynálezu tedy snižuje počet nutných opakovaných měření oproti přístrojům, které plochu a její heterogenitu nepostihují.
Zařízení dle předloženého vynálezu je tedy schopno odlišit a kvantifikovat důležité skupiny organismů z hlediska biokorozí materiálů, ne pouze detekovat jejich přítomnost. Velké zorné pole kamery navíc umožňuje postihnout a zobrazit plošnou distribuci a zastoupení kolonií nebo shluků detekovaných organismů na zkoumaném povrchu. Zařízení je navrženo jako kompaktní, přenosný a citlivý přístroj určený pro snadné použití in sítu bez nutnosti mechanického zásahu do povrchu zkoumaného materiálu.
Objasnění výkresů
Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, kde je na:
obr. 1 Celkový schématický pohled na zařízení obr. 2 Bokořez zařízením ukazující vnitřní uspořádám přístroje obr. 3 Detail posuvu emisních filtrů nad excitační komorou umožňující simultánní detekci a kvantifikaci více skupin mikroorganismů v jednom snímku obr. 4 Schéma sekvence kroků zpracování obrazu při tvorbě multispektrální mapy koncentrací obr. 5 Schématické znázornění uspořádám excitačních filtrů a širokospektrálních zdrojů záření obr. 6 Schématické znázornění cylindru se soustavou optických excitačních filtrů předřazených jednomu širokospektrálnímu zdroji záření obr. 7 Rez excitační komorou
Příklady uskutečnění vynálezu
Vynález bude dále objasněn na příkladech uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy. Praktické použití, schéma přístroje a způsobu vyhodnocení dat, vysokou citlivost a schopnost rozlišení jednotlivých skupin mikroorganismů odpovědných za biokoroze materiálů lze demonstrovat na příkladu provedení, který je uveden na obr. 1 až 4. Možná provedení zdroje excitačního záření a soustavy optických excitačních filtrů jsou schematicky znázorněna na obr. 5 až 7.
Obr. 1 ukazuje celkový schematický pohled na zařízení dle vynálezu, ze kterého je zřejmé, že jde o kompaktní mobilní přístroj do terénu. Zařízení se skládá z těla 3, které je tvořeno plastovým krytem, pod nímž jsou umístěny elektronické a mechanické součásti. Tělo 3 zařízení vybíhá v rukojeť 5, v níž je uložena napájecí baterie/akumulátor. Na horní straně těla 3 přístroje je umístěn dotykový displej 2 pro ovládání zařízení a případné zobrazení průběžných výsledků měření. Vedle displeje 2 proti rukojeti 5 je provedena přítlačná ploška 1 pro správné uchopení a přitlačení zařízení a zajištění správného kontaktu krytu excitační komory 4 na spodní straně těla 3 zařízení s měřeným povrchem.
-8CZ 2019 - 459 A3
Obr. 2 ukazuje podrobnosti vnitřního uspořádání zařízení, především optickou excitační komoru 4 krytou od rušivých vlivů okolního světla, rukojeť 5 s akumulátorem a dotykový displej 2 pro nastavení parametrů a sledování postupu měření dat. Dotykový displej 2 na horní straně zařízení je pomocí rámu 9 displeje uchycen na hlavním rámu 10. Pod displejem 2 jsou uloženy moduly řídicí jednotky 7. V ose excitační komory 4 procházející jejím vrcholem a kolmé na detekovaný povrch je na vrcholu excitační komory 4 v hlavním rámu 10 upevněna kamera 6 a cylindr 8 s emisními filtry.
Vlastní detail principu zařízení přibližuje obr. 3. Excitační komora 4 je pevně spojena s hlavním rámem 10. V ose excitační komory 4 procházející jejím vrcholem a kolmé na detekovaný povrch je na vrcholu excitační komory 4 umístěna kamera 6, která snímá celou plochu povrchu materiálu přístupného otvorem excitační komory 4 v dolní části excitační komory 4, kde probíhá detekce a kvantifikace mikroorganismů. V prostoru mezi objektivem kamery 6 a vrcholem excitační komory 4 se otáčí kruhový cylindr 8 s optickými emisními filtry. Poloha cylindru s emisními filtry 8 je stabilizována pomocí přítlačného ložiska 12 vsazeného do hlavního rámu 10.
Kryt excitační komory je po svém obvodu rozdělen na 16 polí. 15 polí je osazeno zdroji excitačního záření, poslední pole je opatřeno běžným světelným zdrojem pro pořízení standardních fotografií povrchu zkoumaného materiálu. Zdroje excitačního záření jsou tedy uspořádány rovnoměrně na kružnici souosé s otvorem excitační komory 4 a vůči detekovanému povrchu jsou nakloněny pod úhlem 53°.
V optické excitační komoře 4 je uspořádáno pět různých zdrojů excitačního záření vhodných pro excitaci detekovaných mikroorganismů, přičemž stejné tři zdroje excitačního záření pro jeden typ mikroorganismu jsou vůči sobě na kružnici umístěny přibližně v úhlu 120°. Zdroji excitačního záření pro excitaci detekovaného povrchu materiálu jsou v tomto základním provedení LED vydávající záření požadovaných vlnových délek. Každému typu zdroje excitačního záření odpovídá v kruhovém cylindru 8 právě jeden optický emisní filtr. Alespoň jedna pozice v kruhovém cylindru 8 není emisním filtrem obsazena a propouští tak nefiltrované světlo pro pořízení standardních fotografií v případě aktivace běžného zdroje světla.
V konkrétním provedení tak zařízení pro detekci řas využívá autofluorescenci fotosyntetických pigmentů při kombinaci excitační vlnové délky 465 nm a emisního filtru propustného pro vlnovou délku 680 nm, pro sinice je vhodná excitační vlnové délka 595 nm a emisní filtr pro vlnovou délku 650 nm, pro rozsivky je vhodná excitační vlnová délka 520 nm, emisní filtr pro vlnovou délku 680 nm. Pro detekci plísně je zkoumaný povrch obarven fluorogenním činidlem kalkofluor aje použita excitační vlnová délka 365 nm a emisní filtr pro vlnovou délku 420 nm. Pro detekci bakterií je zkoumaný povrch obarven pomocí fluorogenního činidla danzylhydrazinu a excitován zářením o vlnové délce 365 nm a použit emisní filtr propustný pro vlnovou délku 520 nm. Navíc mechy jsou odlišitelné z makroskopické fotografie analýzou obrazu a spektry identickými se spektrem pro řasy.
Nastavení potřebného optického emisního filtru do správné pozice před objektiv kamery 6 zajišťuje servomotor 11. O koordinaci nastavení potřebného optického emisního filtru, aktivace jemu odpovídajícího zdroje excitačního záření a snímání snímků kamerou 6 se stará řídicí jednotka 7.
Obr. 4 pak znázorňuje proces zpracování a integrace sekvencí získaných snímků při tvorbě multispektrální mapy koncentrací na celé měřené ploše. Po spuštění měření je pomocí kamery 6 pro každou měřenou kombinaci excitačního světla a fluorescenční emise automaticky zaznamenána sekvence snímků při různém nastavení jasu a kontrastu. Technologií HDR (High Dynamic Range) je pak ze snímků vytvořena emisní mapa. Z dílčích emisních map je následně složena multispektrální emisní mapa, která je v dalším kroku optimalizována a podle vložené kalibrace převedena na mapu rozložení koncentrací buněk/pletiv zájmového organismu/organismů na zkoumané ploše povrchu.
-9CZ 2019 - 459 A3
Na obr. 5 je schematicky znázorněna optická excitační komora 4 zařízení v provedení, kdy v excitační komoře 4 je po jejím obvodu rovnoměrně uspořádána soustava tri univerzálních širokospektrálních zdrojů 13 excitačního záření, přičemž každému univerzálnímu širokospektrálnímu zdroji 13 excitačního záření odpovídá soustava optických excitačních filtrů předřaditelných jednotlivě před daný zdroj excitačního záření, aby na měřený povrch dopadlo vždy záření s požadovaným spektrem vlnových délek. V excitační komoře je dále proveden řadič excitačních filtrů pro posun optických excitačních filtrů před příslušné zdroje excitačního záření.
Další z možných provedení zařízení dle vynálezu je pak jen pro ilustraci schematicky znázorněno na obr. 6. Excitační komora je vybavena cylindrem 14 se soustavou optických excitačních filtrů předřazených jednomu širokospektrálnímu zdroji 13 excitačního záření. Na obr. 7 je pak znázorněn řez touto excitační komorou 4. Pro snímání nerovných povrchů může být těchto širokospektrálních zdrojů 13 excitačního záření s předřazenými cylindry 14 se soustavami optických excitačních filtrů uspořádáno v excitační komoře 4 více.
Nezobrazenou alternativou pak může být provedení, kdy jsou všechny optické excitační a emisní filtry uspořádány na jednom společném rotačním řadiči filtrů, který je tvořen vnějším prstencem s pozicemi pro optické excitační filtry rotujícím pod zdroji excitačního záření a vnitřním prstencem s pozicemi pro optické emisní filtry souosým s vnějším prstencem a rotujícím v zorném poli kamery, která je umístěna mimo osu prstenců.
Přístroj lze použít na libovolný typ povrchu - maltová omítka, beton, kámen, nerovná dlažba, lesklé obklady, dřevo, železné konstrukce, volný povrch půdy, polykarbonáty atd. Minimální plocha vhodná pro správné přiložení krytu (excitační komory) přístroje je kruh o průměru 13 cm, resp. čtverec o délce strany 13 cm, přičemž zorné pole kamery je kruh o průměru přibližně 10 cm. Kamera 6 přístroje je ideálně zaostřena na rovinu přikládací plochy krytu. Hloubka ostrosti kamery 6 však umožňuje s dostatečnou mírou přesnosti použít přístroj také na povrchy vystouplé nebo propadlé v rozmezí přibližně 2,5 cm proti rovině přikládací plochy krytu, v ose detekční kamery 6, která snímá celou plochu, kde probíhá detekce a kvantifikace mikroorganismů na povrchu materiálu, servomotor nastavuje sekvenci emisních filtrů umožňujících optické rozlišení jednotlivých skupin organismů, proces zpracování a integrace sekvencí získaných snímků při tvorbě multispektrální mapy koncentrací na celé měřené ploše. Proto kamera 6 je v takovém nastavení a vzdálenosti od detekovaného povrchu materiálu, aby snímala alespoň 70 cm2 plochy detekovaného povrchu materiálu.
Okraj krytu je vybaven límcem z pěnového materiálu, který je schopný se tvarově přizpůsobit mírně zrnitému nebo mírně nerovnému povrchu. Během měření na takovém povrchu je třeba zařízení pomocí rukojeti 5 a označeného opěrného místa, například přítlačné plošky 1 na protilehlé straně těla 3 zařízení přitlačit k měřenému povrchu tak, aby do krytu nepronikalo světlo zvenčí.
Měřený povrch by měl být vlhký, aby všechny organismy tvořící biofilm byly fyziologicky aktivní. Při měření se pečlivě vybere místo, které reprezentuje danou lokalitu, danou situaci a provede se měření povrchu - nejprve přímo, případně po dodatečném zvlhčení povrchu, a po nástřiku roztoků fluorescenčních barviv, kdy je využit kalkofluor a danzylhydrazin.
Průmyslová využitelnost
Zařízení dle vynálezu je určeno k včasnému varování, kontrolní a preventivní detekci a kvantifikaci organismů způsobujících biokoroze materiálů. Konkrétně je zařízení použitelné pro preventivní prohlídky betonových konstrukcí mostů, hrází, chladicích věží a dalších staveb, dále na hodnocení mikrobiálního osídlení povrchů fasád, soch, kamene, dřeva, plastových izolací rozvodných skříní a všude tam, kde potřebujeme včas zjistit přítomnost mikroorganismů, které
- 10CZ 2019 - 459 A3 mohou dezintegrovat, rozkládat a znehodnocovat materiál a tím zásadním způsobem omezit jeho životnost. Alternativně je zařízení využitelné například ve vodním hospodářství, kde například ve vodárenství je potřeba detekovat, zda při výrobě pitné vody nejsou přítomny plísně, či sinice, např. na zdech vodojemů, stěnách filtrů a prvcích rozvodné sítě, nebo také ve výzkumu, kde např. jsou pomocí mikrobiálních biofilmů rozkládány toxické látky a je potřeba hodnotit nedestruktivně složení společenstev mikroorganismů.
Literatura:
Boniek, D., Mendes, I.D., Paiva, C.A.O., Lana, U.G.D., dos Santos, A.F.B., Stoianoff, M.A.D., 2017. Ecology and identification of environmental fungi and metabolic processes involved in the biodeterioration of Brazilian soapstone historical monuments. Letters in Applied Microbiology 65,431-438.
Gaylarde, C., Baptista-Neto, J.A., Tabasco-Novelo, C., Ortega-Morales, 0., 2018. Weathering of granitic gneiss: A geochemical and microbiological study in the polluted sub-tropical city of Rio de Janeiro. Science of the Total Environment 644, 1641-1647.
Gaylarde, C., Ogawa, A., Beech, I., Kowalski, M., Baptista-Neto, J.A., 2017. Analysis of of dark crusts on the church of Nossa Senhora do Carmo in Rio de Janeiro, Brazil, using chemical, microscope and metabarcoding microbial identification techniques. International Biodeterioration & Biodegradation 117, 60-67.
C. Gaylarde, M. Ribas Silva, Th. Warscheid: Microbial impact on building materials: an overview, Materials and Structures, 2003, Volume 36, Number 5, Page 342
Gonzalez-Perez, M., Brinco, C., Vieira, R., Rosado, T., Mauran, G., Pereira, A., Candeias, A., Caldeira, A.T., 2017. Dual phylogenetic staining protocol for simultaneous analysis of yeast and bacteria in artworks. Applied Physics a-Materials Science & Processing 123, 11.
M. González, R. Vieira, P. Nunes, T. Rosado, S. Martins, A. Candeias, A. Pereira and A. T. Caldeira, Fluorescence In Situ Hybridization: a potentially useful technique for detection of microorganisms on mortars, e-conservation Journal 2, 2014, pp. 44-52
Mejia, E., Tobon, J.L, Osorio, W., 2019. Urban structure degradation caused by growth of plants and microbial activity. Materiales De Construccion 69.
Nuhoglu Y, Var M, Kocak E, Uslu H, Demir H (2017) In Situ Investigation of the Biodeteriorative Microorganisms Lived on Stone Surfaces of the Sumela Monastery (Trabzon, Turkey). J Environ Anal Toxicol 7: 506.
Sanmartin, P., DeAraujo, A., Vasanthakumar, A., 2018. Melding the Old with the New: Trends in Methods Used to Identify, Monitor, and Control Microorganisms on Cultural Heritage Materials. Microbial Ecology 76, 64-80.
Sohrabi, M., Favero-Longo, S.E., Perez-Ortega, S., Ascaso, C., Haghighat, Z., Talebian, M.H., Fadaei, H., de los Rios, A., 2017. Lichen colonization and associated deterioration processes in Pasargadae, UNESCO world heritage site, Iran. International Biodeterioration & Biodegradation 117, 171-182.
Warscheid, T., Braams, J., 2000. Biodeterioration of stone: a review. International Biodeterioration & Biodegradation 46, 343-368.
- 11 CZ 2019 - 459 A3
Zanardini, E., May, E., Purdy, K.J., Murrell, J.C., 2019. Nutrient cycling potential within microbial communities on culturally important stoneworks. Environmental Microbiology Reports 11, 147-154.
Claims (14)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů zahrnující- zdroj excitačního záření pro excitaci detekovaného povrchu materiálu a- kameru (6) pro fluorescenční snímání excitovaného povrchu materiálu opatřenou paměťovým modulem pro ukládání snímků z kamery (6), vyznačující se tím, že dále zahrnuje excitační komoru (4) s otvorem pro umístění na detekovaný povrch materiálu, ve které jsou uzavřeny soustava zdrojů excitačního záření, kamera (6), soustava optických emisních filtrů posuvných jednotlivě do zorného pole kamery (6) a propouštějících vlnové délky odpovídající fluorescenčním signálům vyvolaným excitačním zářením zdrojů excitačního záření a charakteristickým pro jednotlivé skupiny organismů a řadič emisních filtrů pro posun optických emisních filtrů do zorného pole kamery (6).
- 2. Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů podle nároku 1 vyznačující se tím, že optické emisní filtry jsou uspořádány v soustavě v kruhu, přičemž řadičem emisních filtrů je otočný cylindr (8).
- 3. Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, že excitační komora (4) je obklopena krytem z pružného tmavého materiálu bez tvarové paměti.
- 4. Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů podle kteréhokoli z předchozích nároků vyznačující se tím, že zdroje excitačního záření jsou uspořádány nad otvorem excitační komory (4) rovnoměrně na kružnici souosé s otvorem excitační komory (4) a vůči povrchu jsou nakloněny v úhlu 45° až 60°.
- 5. Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů podle kteréhokoli z předchozích nároků vyznačující se tím, že soustavou zdrojů excitačního záření je soustava univerzálních širokospektrálních zdrojů (13) excitačního záření, přičemž každému univerzálnímu širokospektrálnímu zdroji (13) excitačního záření odpovídá soustava optických excitačních filtrů předřadíteIných jednotlivě před daný zdroj excitačního záření, přičemž mobilní zařízení dále zahrnuje řadič excitačních filtrů pro posun optických excitačních filtrů před příslušné zdroje excitačního záření a řídicí jednotku (7) pro aktivaci příslušných zdrojů excitačního záření a výměnu emisních filtrů.
- 6. Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů podle nároku 5 vyznačující se tím, že optické excitační a emisní filtry jsou uspořádány na jednom společném rotačním řadiči filtrů, který je tvořen vnějším prstencem s pozicemi pro optické excitační filtry rotujícím pod zdroji excitačního záření a vnitřním prstencem s pozicemi pro optické emisní filtry souosým s vnějším prstencem a rotujícím v zorném poli kamery (6), která je umístěna mimo osu prstenců.- 12CZ 2019 - 459 A3
- 7. Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů podle kteréhokoli z předchozích nároků vyznačující se tím, že je opatřeno displejem (2) spojeným s řídicí jednotkou (7) pro průběžné zobrazení výsledků měření.
- 8. Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů podle kteréhokoli z předchozích nároků vyznačující se tím, že je opatřeno rukojetí (5).4 výkresySeznam vztahových značek1. Přítlačná ploška2. Displej3. Tělo4. Excitační komora5. Rukojeť s akumulátorem6. Kamera7. Řídicí jednotka8. Cylindr s emisními filtry
- 9. Rám displeje
- 10. Hlavní rám
- 11. Servomotor
- 12. Přítlačné ložisko
- 13. Sirokospektrální zdroj excitačního záření
- 14. Cylindr s excitačními filtry
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2019-459A CZ2019459A3 (cs) | 2019-07-09 | 2019-07-09 | Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů |
EP20184356.2A EP3763821A1 (en) | 2019-07-09 | 2020-07-07 | Mobile device for non-destructive fluorescence resolution, display and quantification of microorganisms on the surface of materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2019-459A CZ2019459A3 (cs) | 2019-07-09 | 2019-07-09 | Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ308044B6 CZ308044B6 (cs) | 2019-11-13 |
CZ2019459A3 true CZ2019459A3 (cs) | 2019-11-13 |
Family
ID=68465434
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2019-459A CZ2019459A3 (cs) | 2019-07-09 | 2019-07-09 | Mobilní zařízení pro nedestruktivní fluorescenční rozlišení, zobrazení a kvantifikaci mikroorganismů na povrchu materiálů |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3763821A1 (cs) |
CZ (1) | CZ2019459A3 (cs) |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19906047C2 (de) | 1999-02-12 | 2001-10-18 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren und Vorrichtung zur Detektion biotischer Kontaminationen auf einer Oberfläche |
US20030071998A1 (en) * | 2001-10-04 | 2003-04-17 | Krupka F. Jeffrey | Color measurement device |
US6750006B2 (en) * | 2002-01-22 | 2004-06-15 | Microbiosystems, Limited Partnership | Method for detecting the presence of microbes and determining their physiological status |
GB0211068D0 (en) | 2002-05-14 | 2002-06-26 | Amersham Biosciences Uk Ltd | Method for assessing biofilms |
DE10244819B4 (de) | 2002-09-26 | 2007-05-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer fluoreszierenden Substanz auf einer technischen Oberfläche |
US7190457B2 (en) * | 2004-01-13 | 2007-03-13 | Echo Technologies, Inc. | Real-time biofilm monitoring system |
CA2677216C (en) * | 2007-02-05 | 2015-10-20 | Intelligent Bio-Systems, Inc. | Detection device and methods of use |
FR2916850B1 (fr) * | 2007-06-01 | 2013-02-01 | Force A | Appareil d'analyse de vegetaux sur le terrain, procede de suivi ou cartographie de l'etat ou de l'evolution d'une culture et procede de gestion d'un traitement de vegetaux |
US8310544B2 (en) * | 2008-06-13 | 2012-11-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture | Hand-held inspection tool and method |
WO2011103144A1 (en) | 2010-02-16 | 2011-08-25 | President And Fellows Of Harvard College | Methods and systems for detection of microbes |
WO2012005350A1 (ja) * | 2010-07-09 | 2012-01-12 | 千代田電子工業株式会社 | 青果物の非破壊測定装置 |
JP2012193988A (ja) * | 2011-03-15 | 2012-10-11 | Ncd:Kk | 蛍光反応検出装置 |
KR101348563B1 (ko) * | 2013-07-22 | 2014-01-17 | 주식회사 대성텍 | 비파괴 당도측정기 |
-
2019
- 2019-07-09 CZ CZ2019-459A patent/CZ2019459A3/cs unknown
-
2020
- 2020-07-07 EP EP20184356.2A patent/EP3763821A1/en not_active Withdrawn
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CZ308044B6 (cs) | 2019-11-13 |
EP3763821A1 (en) | 2021-01-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Razavi et al. | Soil zymography: simple and reliable? Review of current knowledge and optimization of the method | |
CN102317777B (zh) | 用于在固体或半固体介质上表征微生物的方法 | |
Vojinović et al. | Real-time bioprocess monitoring: Part I: In situ sensors | |
Andersen et al. | Estimating cell numbers | |
Keevil | Rapid detection of biofilms and adherent pathogens using scanning confocal laser microscopy and episcopic differential interference contrast microscopy | |
CN101438147B (zh) | 生物试样摄像方法及生物试样摄像装置 | |
Ramil et al. | Using Hyperspectral Imaging to Quantify Phototrophic Biofilms on Granite. | |
Eggert et al. | Quantification of algal biofilms colonising building materials: chlorophyll a measured by PAM-fluorometry as a biomass parameter | |
Krause et al. | The investigation of single bacteria by means of fluorescence staining and Raman spectroscopy | |
US20080102487A1 (en) | Method and apparatus for non-invasive rapid fungal specie (mold) identification having hyperspectral imagery | |
Gambino et al. | Surface colour: An overlooked aspect in the study of cyanobacterial biofilm formation | |
CN1268926C (zh) | 利用藻类进行水体监测的方法 | |
Sanmartín et al. | Impact of colour on the bioreceptivity of granite to the green alga Apatococcus lobatus: Laboratory and field testing | |
Pohanka et al. | Digital camera-based lipase biosensor for the determination of paraoxon | |
Hermelink et al. | Phenotypic heterogeneity within microbial populations at the single-cell level investigated by confocal Raman microspectroscopy | |
CN108195801B (zh) | 单分子水平观测气孔保卫细胞膜蛋白分布和动态的方法 | |
Albertano et al. | New strategies for the monitoring and control of cyanobacterial films on valuable lithic faces | |
EP3763821A1 (en) | Mobile device for non-destructive fluorescence resolution, display and quantification of microorganisms on the surface of materials | |
JP4590902B2 (ja) | 糸状菌計量方法 | |
Roshchina et al. | Autofluorescence of developing plant vegetative microspores studied by confocal microscopy and microspectrofluorimetry | |
Neu et al. | One-photon versus two-photon laser scanning mic roscopy and digital image analysis of microbial biofilms | |
Giakoumaki et al. | Development of a methodology for the characterisation and assessment of biodeteriogens on archaeological surfaces by use of a portable LED-induced fluorescence instrument | |
Cecchi et al. | Fluorescence lidar technique for the monitoring of biodeteriogens in cultural heritage studies | |
Bilyera et al. | Soil zymography: A decade of rapid development in microbial hotspot imaging | |
KR101037960B1 (ko) | 파래의 포자 방출을 이용하여 독성을 진단하기 위한 키트 및 방법 |