RS20210188A1 - Metod za kontrolu kvaliteta vode pri istovremenom prisustvu bakterija, mulja i algi heurističkim pristupom - Google Patents

Abstract

Metod za kontrolu kvaliteta vode pri istovremenom prisustvu bakterija, mulja i algi heurističkom metodom ima za novost razdvajanje signala koji se dobijaju sa senzora za merenje koncentracije bakterije E-coli od interferentnih signala koji potiču od algi i mulja. Pronalazak polazi od hipoteze i dokazuje je da na signal koji se dobija od bakterija utiču signali koji se dobijaju od algi i mulja, a sa druge strane sam signal koji se dobija od bakterija zanemarivo utiče na signale koji se dobijaju od algi i mulja. Metod pronalaska se sastoji od dve faze: trening faze 100 i test faze 104. Trening faza 100 se odvija bez prisustva bakterija u rastvoru i u njoj se u koraku 102 određuje funkcija, a u koraku 103 određuje se korekcioni faktor za korekciju odziva senzora za bakterije u narednoj, test fazi 104. U test fazi 104 se u vodotokovima na terenu odvija merenje i procena koncentracija algi, mulja i bakterija i uz pomoć navedene funkcije i korekcionog faktora iz prethodne faze 100 se koriguje i estimira stvarna vrednost koncentracije bakterija u vodi.

Description

Метод за контролу квалитета воде при истовременом присуству бактерија, муља и алги хеуристичким приступом

Област технике на коју се проналазак односи

Проналазак се генерално односи на метод за праћење најважнијих параметара квалитета водотокова са посебним акцентом на планинске воде са временском резолуцијом од неколико сати.

Метод проналаска се односи на праћење физичко-хемијских параметара воде, присуства микроба и других контамината у води, и омогућује бежични пренос измерених података до контролне јединице на серверу која додатно обрађује све примљене сигнале из једног или више мерних инструмената и на основу уграђених алгоритама израчунава вероватноћу акцидентних ситуација. Метод укључује квалитативну детекцију присуства бактерије E-coli најчешће проузроковану фекалном загађеношћу која се уноси у водотокове атмосферским падавинама, и такође метод укључује територијални мониторинг везан за температуру воде, садржај јона, алги и муља на једној познатој локацији.

Ознака према међународној класификацији патената (МКП) је: G08B21/18, G16Y40/20; H04W4/38, H04W40/32, H04W84/18, Y02W10/10, G01N33/18, G01N21, G01N21/77 и C02F1/00.

Технички проблем

Технички проблем који се решава овим проналаском састоји се у томе да се више сигнала од загађивача у водотоку који међусобно утичу једни на друге (унакрсна осетљивост) међусобно раздвоје са технички разумном тачношћу, изнад 30%, како би се алармирала акцидентна ситуација у неком водотоку и на познатој локацији у квази-реалном времену и како би било могуће узети узорке воде са одговарајуће локације и анализирати их у референтној лабораторији. Термин квази-реално време означава период од неколико сати, не више од 6 сати.

Стање технике

1. Стална контрола квалитета вода на присуство бактерије E-coli, муља, алги, разних честица као и присуство јона у води посебно у малим водотоковима на неприступачним локацијама представља технички проблем који није решен на задовољавајући начин, посебно уколико се као захтев за мерење постави услов да мерење треба да се одвија путем уређаја који је аутономан, на дуже време, у недељама и месецима и да за рад уређаја нису потребне посебне хемикалије и реагенси.

2. Као што је наведено под тачком 1, истовремено мора да се мери више параметара, а чије се присуство истовремено региструје на више сензора. Пример за то је да сигнал од муља утиче на показивање сензора за детекцију бактерија, смањујући реални сигнал који се добија од бактерија, а да сигнал од алги може ослабити или појачати сигнал који се добија од бактерија.

3. Иако су ови проблеми решиви мерењем појединачних величина, компликованост оваквог склопа за мерење превазилази оквире реализације.

Из ових разлога из литературе није познато компактно и релативно јефтино решење које мери осам параметара воде, укључујући и пуни спектрални одзив узорака воде, а затим хеуристичком методом-принципом каква је описана касније раздваја стварну вредност аналита из мешавине сигнала добијених од појединих сензора.

Неки од начина мерења познати у области дати су у тексту испод, али ниједан од ових уређаја не користи хеуристичке методе за раздвајање сигнала, већ се то ради или додавањем посебних реагенаса у воду, што ограничава аутономни рад инструмената или користе редуцирани број параметара који би могли да се мере.

Тако нпр. патентна пријава CN111679050A, која је објављена 3. марта 2020. обрађује само начин преноса података из појединих сензора, без анализе како би се мешани сигнали могли раздвајати. Даље патентна пријава W02013090407A2, објављена 20. јуна 2013. анализира раздвајање сигнала додавањем посебних реагенаса (боја), и нпр. патент US6753186B2, објављен 19. септембра 2002. користи хроматографске колоне за анализу састава воде, што се не може подвести под тематику проналаска.

Даљи наведени патенти и патентне пријаве такође припадају стању технике, али се разликују у односу на предложени проналазак јер не описују проблематику раздвајања горе наведених сигнала.

Патент ЕР2795295В1 под насловом Water-quality monitoring system објављен 11. октобра 2017, патент NL1032315C2 под насловом Control system for UV lamps, as well as control system for determining the viability of microorganisms објављен 15. фебруара 2008, патент JP6394084B2 под насловом Remote management control system of river water filtration device објављен 26. септембра 2018, патент US10214432B2 под насловом Method and device for online monitoring of water quality објављен 26. фебруара 2019, патент US7824883B2 под насловом Method and apparatus for detecting the presence of microbes with frequency modulated multi-wavelength intrinsic fluorescence објављен 02. новембра 2010, патент US6750006B2 под насловом Method for detecting the presence of microbes and determining their physiological status објављен 15. јуна 2004. и патент US7741108B2 под насловом Bacteria sensor and method објављен 22. јуна 2010.

Излагање суштине проналаска

Проналазак се генерално односи на методу испитивања и мониторинг вода код којих је присутна проблематика раздвајања сигнала који се добијају са сензора за мерење концентрације бактерије E-coli од интерферентних сигнала који потичу од алги и муља. Присуство алги и муља у води утиче на мерени сигнал концентрације бактерије E-coli и то на начин који описују наредне три премисе.

Прва премиса каже да присуство бактерија у раствору незнатно утиче на мерења концентрације муља и алги које се мере нефелометром и спектрометром - сензорима који су уграђени у уређај за мерење (конструкција уређаја није предмет проналаска), док на мерења концентрације бактерија које се мери флуорометром утиче присуство алги и муља у раствору.

Друга премиса каже да присуство муља у раствору проузрокује слабљење сигнала флуорометра за мерење концентрације бактерија; и трећа премиса каже да присуство алги у раствору може утицати двојако на сигнал концентрације бактерија са сензора: појачањем услед аутофлуоресценције алги и слабљењем услед расипања сигнала.

Бактерија E-coli доспева у воду на више начина, директним загађењем фекалим материјалима, спирањем таквих материјала током киша, али најчешће подземним водотоковима и њено присуство указује на неприхватљиву контаминацију изворских вода фекалним материјалом.

Са друге стране, алге се нормално не налазе у већим концентрацијама у изворским, брзим текућим водама. Међутим, када дође до застоја у водотоку, алге се могу појавити у значајној концентрацији и самим тим су укључене у каталог загађивача. Стога метод проналаска анализира две главне врсте алги, једноћелијску алгу Chlorella (зелена алга) и тракасту алгу Anabaena (модрозелена алга), као и мешану флору која обитава у споро-струјећој води.

Полазећи од свега наведеног, метод проналаска укључује обраду примљених сигнала које добија од мерног уређаја (мерни уређај садржи у себи спектрометар, нефелометар и сензор за детекцију бактерија) и даљу обраду добијених сигнала на серверској страни путем алгоритама машинског учења. Циљ метода је да се издвоји сигнал бактерија од сигнала муља и алги, а имплементација метода се предвиђа на контролној јединици сервера. Основна иновативност метода јесте да се састоји од две фазе: фаза тренинг модела која се спроводи у лабораторији и фаза тест модела која се односи на водотокове на терену. Прва фаза тренинг модела се састоји од корака: учитавања вредности које се добијају од мерног уређаја (вредности спектра и нефелометра раствора без присуства бактерија се учитавају у овом кораку), затим корака моделовања функције за одређивање концентрације муља и алги у раствору и на крају корака где се одређује корекциони фактор за одзив сензора за мерење концентрације бактерија на основу односа концентрација алги и муља када у раствору нема бактерија.

На прву фазу тренинг модела се надовезује фаза тест модела, која се састоји од корака: очитавања вредности спектра и нефелометра раствора када у њему има бактерија (реална ситуација на терену, раствор из Дунава нпр.), затим корака примене функције за одређивање концентрације муља и алги у раствору која се добија из претходне фазе, корака корекције одзива сензора за детекцију бактерија уз помоћ корекционог фактора који је такође добијен у претходној фази и на крају корака естимације концентрације бактерија у раствору.

Кратак опис слика проналаска

Слика 1а приказује прву фазу-тренинг фазу метода проналаска

Слика 1б приказује другу фазу-тест фазу метода проналаска

Слика 1а и Слика 1б заједно приказују метод проналаска.

Слика 2 приказује 2D (дводимензионални) простор концентрација алги и муља

Слика 3 приказује сигнал триптофана у чистој води при одсуству алги и муља

Слика 4 приказује спектар муља Tj.UV-VIS спектре суспензије глине (муља) у чистој води и са концентрацијама глине од 2 - 0.015 g/l

Слика 5 приказује спектре суспензије једноћелијских Chlorella алги (зелена алга) и Anabaena алги (модрозелена алга), као и два спектра мешане флоре алги из биореактора.

Детаљан опис проналаска

Метод проналаска се бави контролом квалитета воде при истовременом присуству бактерија, муља и алги хеуристичким приступом. Хеуристички приступ се примењује у информатици, вештачкој интелигенцији, и то је техника решавања проблема на довољно добар начин уз минималан утрошак времена.

Метод проналаска се бави проблематиком одређивања концентрације бактерија у водотоковима када у њима има присуства алги и муља које утичу на мерене вредности сигнала концентрације бактерија. Бактерија која се посматра у опису проналаска јесте E-coli бактерија која је веома отпорна и доспева у воду преко фекалија, спирањем од кише и подземним водотоковима. За метод проналаска сагледава се њена особина флуоресценције која представља појаву да се након излагања саме бактерије електромагнетном зрачењу емитује електромагнетно зрачење веће таласне дужине од оног коме је изложена. Ова особина је битна јер омогућава детекцију саме бактерије. Услед података које је утврдила Светска здравствена организација у вези са потенцијалним здравственим ризиком у вези са концентрацијом Е. Coli, погодније је за прву фазу метода проналаска користити триптофан као модел за патогене бактерије чију концентрацију покушавамо да естимирамо, а то је уједно и бржи начин за припрему и спровођење. Релација сличности бактерија и триптофана описана је у раду Demonstration of Tryptophan-Like Fluorescence Sensor Concepts for Fecal Exposure Detection in Drinking Water in Remote and Resource Constrained Settings и оно што ce објашњава јесте да се такође и флуоресценција код триптофана јавља када молекул апсорбује фотон из светлости на одређеној таласној дужини, познатој као таласна дужина побуде. Апсорбовани фотон доводи до тога да електрон скочи у више енергетско стање. Једном када се електрон спусти у основно електронско стање, он емитује фотон на другој, вишој, специфичној таласној дужини, познатој као таласна дужина емисије.

Без обзира на то, више недавних студија показало је да се мерења триптофана могу користити као алтернативно или адитивно средство за процену контаминације вода. Приказане су снажне корелације између присуства триптофана и присуства хетеротрофних бактерија, E.coli, и укупних колиформних бактерија у води за пиће, тако да узевши све у обзир и горе поменут ризик и адекватну везу са бактеријама, триптофан представља боље решење за тренинг фазу.

Поред бактерије E-coli за детаљан опис проналаска посматрају се и муљ-глина и алге као контаминати који утичу на детекцију сигнала бактерија.

На Слици 1а и Слици 1б приказане су две основне фазе метода проналаска. Прва фаза, приказана на Слици 1а је тренинг фаза 100 која се спроводи у лабораторији и у њој се посматра раствор без присуства триптофана и само са присутним муљем и алгама. Током ове фазе 100 очитавају се вредности са уређаја за мерење чије главне компоненте су: нефелометар, спектрометар и сензор за бактерије tj. флуорометар (и у даљем тексту наводимо флуорометар). Нефелометар одређује замућеност раствора, спектрометар спектар раствора и сензор за бактерије односно флуорометар детектује и мери концентрацију бактерија у раствору, односно одзив молекула триптофана након побуде одређеним извором зрачења-интензитет флуоресценције (У овој фази пошто је раствор без присуства бактерија, односно без триптофана, одзив сензора за бактерије, односно флуорометра, није тачно нула већ има малу вредност управо због дејства алги и муља. Ово дејство је описано у премисама, у Суштини проналаска).

Слика 1б приказује другу-тест фазу 104 метода проналаска која се надовезује на тренинг фазу 100. Тест фаза 104 се одвија у реалним условима, у водотоковима на терену, када у раствору постоје и муљ и алге и бактерије. У овој фази 104 се користи оформљени корекциони фактор из тренинг фазе 100 да би се кориговао одзив сензора за мерење концентрације бактерија (у овој фази у раствору имамо баш бактерије јер су реални услови).

У обе фазе 100 и 104 мерене вредности се шаљу од мерног уређаја бежичним путем до контролне јединице на серверу где је имплементиран цео метод проналаска.

Ако се сада вратимо на Слику 1а и прву фазу 100 тренинг модела, у њој се користи раствор са различитим концентрацијама алги и муља, без присуства триптофана. Одабирају се различите комбинације концентрација алги и муља у раствору у лабораторији и Слика 2 описује 2D простор ових вредности, где се на х оси налазе вредности концентрације муља у раствору, а на у оси вредности концентрације алги у раствору. За сваку ову комбинацију, тј. тачку у 2D простору описаном на Слици 2, очитавају се вредности са спектрометра (очитава се 18 вредности са спектрометра, односно вредности на 18 таласних дужина где је обавезно укључена таласна дужина 680 nm) и такође се за сваку ову наведену тачку из 2D простора очитава вредност са нефелометра, тако да се добија за сваку тачку 19 вредности мерења.

На овај начин креиран сет података ће се користити за тренинг да би се добила регресиона функција која за вредност аргумената узима нумеричке вредности одзива спектрометра и нефелометра, а као излазне вредности даје процењене концентрације алги и муља. Ова функција прецизно естимира и концентрације алги и муља које нису узете у обзир креираним сетом података. Корак 101 на Слици 1а тренинг фазе 100, илуструје узимање раствора када су познате дискретне вредности концентрације муља и алги и даље у кораку 102 се одвија моделовање функције на основу вредности спектрометра и нефелометра које су добијене у кораку 101 (19 вредности за сваку тачку 2D простора), да би се остварило интерполирање вредности и за нови раствор нпр. из Дунава који ће се користити у следећој фази 100. Због објашњених утицаја алги и муља на мерени сигнал концентрације бактерија, очитавања са сензора за бактерије, односно флуорометра због триптофана, неће бити једнака 0. Стога моделована функција која процењује концентрације муља и алги у кораку 102, користи се даље за добијање корекционог фактора за одзив сензора за мерење концентрације бактерија у кораку 103 фазе тренинг модела 100. Корекциони фактор се добија као излаз модела нове регресионе функције добијене тренингом над сетом података који чине процењене концентрације алги и муља и одзив сензора за мерење концентрације бактерија. Моделиране функције за процену концентрације алги и муља и добијање корекционог фактора даље се користе у корацима 106 и 107 фазе тест модела 104 који је дат на Слици 1б. Цела идеја проналаска јесте да се посматра одзив сензора за бактерије када у раствору нема бактерија (нема триптофана), тренинг фаза 100, и када додамо триптофан као модел за патогене бактерије чију концентрацију покушавамо да естимирамо, тест фаза 104 и да се нађе веза између те две вредности преко корекционог фактора, и тиме се добија одвајање сигнала бактерија од сигнала муља и алги што је основна иновативност проналаска. Веза вредности када нема бактерија у раствору у тест фази 100 и вредности са сензора када их има у тренинг фази 104, јесте линеарна и Слика 4 илуструје ову линеарност. Даљи развој метода проналаска може да укључи другачију везу у даље изведбе метода проналаска.

На Слици 2б је описана тест фаза 104 када већ постоји корекциони фактор за корекцију сензора бактерија добијен у кораку 103 тренинг фазе 100. У првом кораку 105 тест фазе 104 у раствору воде се измере вредности спектра и нефелометра, а затим се у кораку 106 уз помоћ корекционог фактора коригује измерена вредност сензора за бактерије и коначно у кораку 108 добија се естимирана концентрација бактерија.

Проналазак у тренинг фази 100 и тест фази 104 користи примарне, секундарне и екстерне променљиве, на начин да примарне променљиве највише утичу на концентрацију бактерија у раствору, секундарне донекле утичу, а екстерне утичу само на функционалност рада поступка проналаска. Примарне променљиве су таласна дужина која има константну вредност нпр.500 nm са које се очитава концентрација бактерија, затим амплитуда која је примарна нумеричка вредност путем које се добија концентрација бактерија, затим фазни померај који је битан за концентрацију муља и алги, али не утиче директно у моделовању.

Секундарне променљиве само делом утичу у наведним фазама 100 и 104, а делом у функционалности система (систем овде означава уређај за мерење, бежичну везу и сервер страну). Секундарне променљиве су: температура која је битна због рада система јер се проверава температурни опсег рада система, затим замућеност која је битна и код фаза 100 и 104 и код функционалности система, и потом спектар воде који је битан за фазе 100 и 104 и проводност воде.

Екстерне променљиве се односе на ограничавајући простор у коме функционише метод проналаска. Екстерне променљиве обухватају територијално-временска ограничења: кише, поплаве и сл.

Да би се боље разумео метод проналаска у даљем тексту дат је опис лабораторијског дела, тј. тренинг фаза 100 у којој се припремају различите концентрације триптофана, муљ и алге да би се моделовала функција и издвојио корекциони фактор за тренинг фазу 104 у реалним условима.

Наиме у лабораторијским условима проналазак предвиђа да се припремају раствори бактерија, али се из горе објашњених разлога користи триптофан. Ако би се пак сагледале бактерије узела би се култура бактерија која се чува замрзнута, а приликом и после њеног одмрзавања примењују се стерилни услови и стерилан прибор, након чега се бактерије узгајају тако што се засејавају културе у хранљивом раствору-ТСБ у стерилисаној епрувети и на крају се бактерија одваја од раствора. То је стандардни нашин припреме бактерија, међутим, као што је горе наведено проналазак у тренинг фази користи беланчевину триптофан и на основу рада Detection and characterization of biological and other organic-carbon aerosol particles in atmosphere using fluorescence извучени су подаци o оптималном извору светлости када је аутофлуоресценција у питању. За бактерије су то 266, 273, 280, 365, 405 nm с тим што је најбоља на 280nm, а за триптофан који проналазак користи оптимална област је 280-348 nm, с тим да је најбоља на 310- 340 nm.

Потребно је напоменути да је рад са патогеним бактеријама веома опасан и да захтева посебне услове у лабораторији (биолошка безбедност нивоа 2). Из наведених разлога као алтернатива бактеријама могуће је користити флуоресцентне молекуле који постоје у бактеријама. Најчешће су то амино киселине, нуклеинске киселине или различити коензими. Амино киселина триптофан има максималну екситацију на таласној дужини од 280 nm, односно емисију на 348 nm и као таква врло добро опонаша присуство бактерија у узорку. Наведене особине је чине добрим кандидатом за замену бактерија приликом фазе тренинга и тестирања метода проналаска.

Мерење спектра раствора се огледа у томе да се раствор који у себи садржи триптофан као модел за бактерије осветли извором светлости таласне дужине из опсега 266 - 405 nm и светлост која пролази кроз воду детектује се као одзив сигнала.

На Слици 3 може да се види како изгледа сигнал од триптофана добијен у чистој води без присуства муља и алги.

Након издвајања оваквог сигнала даље се посматрају и контаминати, прво глина (муљ) а потом алге.

У лабораторијским условима прво се посматрају мерења која су обухватила узорке суспензије глине у води, без примеса органских материјала (хумуса). Иако се овакво загађење не очекује у пракси, мерења су била неопходна како би се у реалним условима могао одвојити спектар хумуса од спектра глине. Мерења обухватају групе узорака који садрже различите концентрације глине у опсегу од 2 до 0.015 g/l глине и мери се трансмисија сигнала у опсегу таласних дужина λ = 350 - 1000 nm. Опсег од 350 - 400 nm је важан јер припада таласним дужинама светлости која се користи при детекцији бактерија у реалним условима. Прво се испитује слабљење сигнала у овој области које може довести до ометања слабог сигнала од флуоресценције E-coli бактерија. Даље, мери се сигнал у опсегу од 400 - 1000 nm, што је радни опсег спектрометра, и који се користи код мерења контаминације воде.

Дисперзија глине се припрема растварањем колоидне глине у дејонизованој води агитацијом у ултразвучном хомогенизатору како би се добила стабилна суспензија честица. Претпоставља се да се веће честице глине брзо таложе у текућој води, тако да су само колоидне честице од интереса при снимању спектара. Узорци се припремају са геометријским редом концентрација глине, као 2 g/lit; 1 g/lit; 0.5 g/lit; 0.25 g/lit итд. како би се обухватио цео опсег могућих концентрација. Слика 4 илуструје спектар глине (муља) тј. UV-VIS спектре суспензије глине у чистој води и са концентрацијама глине од 2 - 0.015 g/l. Ове концентрације глине покривају пуни опсег трансмисије воде од 100% до око 5% за почетну концентрацију глине од 2 g/lit.

Мерења се изводе на спектрометру који је претходно калибрисан према дејонизованој води. Резолуција при мерењима је 5 nm што је довољна тачност за уређај који мери сигнале и који ће радити са резолуцијом од 25 nm, односно са 18 канала. Мањи дисконтинуитети који се могу видети у спектрима потичу од грешке уређаја, а не од спектралног одзива узорка. Укупна грешка мерења на више серија узорака је у границама од 4%.

Концентрација глине већа од 2 g/l на Слици 4, чини воду практично непрозирном и означава озбиљно загађење воде.

На основу серије мерења, закључено је да суспензија глине представља неутрални дисперзиони медијум који се може добро апроксимирати Mie расејањем светлости о сферне микрочестице глине са димензијама реда неколико μm. Даље, показано је да се спектроскопска метода може успешно користити код аутоматског одређивања концентрација суспензија честица глине у води, што је један од основних захтева за метод проналаска.

Са друге стране, алге као контаминат нормално се не налазе у већим концентрацијама у изворским, брзим текућим водама. Међутим, када дође до застоја у водотоку, алге се могу појавити у значајној концентрацији и стога су укључене у каталог загађивача. Стога су у методи проналаска анализиране две главне врсте алги, једноћелијска алга Chlorella (зелена алга) и тракаста алга Anabaena (модрозелена алга), као и мешана флора која обитава у споро-струјећој води. Све врсте алги имају карактеристичну апсорпциону траку на 680 nm, која потиче од апсорпције хлорофила у алгама. Поред тога тракасте алге имају и додатну апсорпциону траку на 440 nm.

Према резултатима мерења везаних за проналазак за детекцију алги у води користи се таласна дужина од 680 nm и две таласне дужине од 660 и 720 nm као референтне вредности, што омогућава разликовање сигнала алги од сигнала муља који нема карактеристичну апсорпциону траку на 680 nm.

Слика 5 приказује спектре суспензије једноћелијских Сhlorella (зелена алга) и Anabaena (модрозелена алга), као и два спектра мешане флоре алги из биореактора. Црна и црвена линија представљају спектре мешане флоре различитих концентрација. Зелена линија је сигнатура Chlorellae алги и плава је спектар Anabaena-e алги.

Ако се сада алге посматрају заједно са горе наведеним бактеријама и муљем, проналазак полази од хипотеза и на крају доказује да присуство бактерија не утиче на сигнале који потичу од муља и алги док присуство алги и муља утиче на сигнал који потиче од бактерија. Наиме, присуство муља у води слаби сигнал који потиче од бактерија, а присуство алги у води појачава сигнал који потиче од бактерија. За добијање сигнала од уређаја за мерење и у тренинг фази 100 и у тест фази 104, морају да се ураде калибрације спектрометра, нефелометра и сензора за бактерије тј. флуорометра, наведеног уређаја за мерење. Наведена калибрација и поступак мерења кроз фазе описан је у следећем тексту. Јасно је и горе наведено да се у тренинг фази не користи сензор за бактерије већ флуорометар јер се ради са триптофаном, али због реалних услова у тест фази мора да се наведе и калибрација сензора за бактерије. Тренинг фаза користи триптофан и флуорометар као део уређаја за детекцију, а тест фаза користи бактерије и сензор за бактерије који опет детектује флуоресценцију. Ова релација триптофан-бактерије је објашњена горе и уведена само из разлога брже припреме раствора у лабораторији и мање могућности заразе особља лабораторије.

Сензор бактерија у чистој води се калибрише до концентрације 50.000 bak/100 ccm са кораком од 10.000 bak/100 ccm. Мора да се добије линеарна зависност. Битно је напоменути да се у овој фази као што је горе напоменуто могу користити и флуоресцентни молекули присутни у бактеријема као што је триптофан. Нефелометар се калибрише за замућеност до 100 NTU са кораком од 20 NTU (6 мерних тачака). Спектрометар се калибрише у чистој води, успешна калибрација је равна линија у целом спектру.

Калибрација се изводи каскадно у два корака са по две променљиве:

У првом кораку се калибришу спектрометар и нефелометар уређаја према различитим односима аналита.

Након калибрације се одвија мерење одзива спектрометра (за 18 таласних дужина), одзива нефелометра и одзива калибрисаног сензора за мерење концентрације бактерија за следеће комбинације концентрације муља и алги у раствору:

■ Раствор без алги са различитим концентрацијама муља у растућем поретку (одређивање граничне вредности концентрације муља).

■ Раствор без муља са различитим концентрацијама алги у растућем поретку (одређивање граничне вредности концентрације алги).

Даље се дефинише комбинација (концентрација муља, концентрација алги) за који ће се вршити мерења тј. очитавања са спектрометра (за 18 таласних дужина обавезно је укључена таласна дужина 680 nm) и нефелометра. Пошто су криве глатке, изузев на таласној дужини од 680 nm (апсорпција хлорофила), мрежа неће бити униформна већ се тачке око таласне дужине од 680 nm згушњавају као према 600- 636/680/720 - 780 nm.

Сензор бактерија није обухваћен матрицом, али се његове вредности региструју за мерења у другој тест фази 104 метода.

Када се раде мерења концентрација само муља и алги, у тренинг фази 100, раде се брза мерења са напуњеном киветом - 5 ccm (додаје се 145 ccm како би се испунила кивета у прототипу) и са једном константном концентрацијом муља којој се додају алге до вредности 100 NTU, а што је измерено при калибрацији уређаја за мерење. Потребно је само 5 раствора до концентрације муља од 100 NTU.

Међутачке матрице на Слици 2 се интерполирају линеарним функцијама што је описано горе у кораку 102 на Слици 1а. На Слици 2 вредност х, у је једнозначна за сваку тачку (узимајући у обзир први извод према вредности у 4 суседне тачке). Та интерполација се одвија због наредне тренинг фазе 104 где ће се јавити тачке 2D простора са новим вредностима концентрације муља, алги и бактерија. Пошто је на Слици 2 проказан 2D простор са алгама и муљем, додатно у реалним условима концентрација бактерија ће бити приказана на трећој z оси и тада Слика 2 добија модел 3D простора. Оваква изведба Слике 2 се односи на измерене вредности концентрације бактерија које тек треба да се коригују корекционим фактором што је и суштина метода проналаска.

У тренинг фази 104 се узимају концентрације триптофана које одговарају распону концентрација патогених бактерија до 50.000 бак/100ссm са растером од 10.000 бак/100ссm. Реално стање на терену ће дати другачије вредности концентрације бактерија и овде је само приказан случај калибрације када у раствору постоје и бактерије.

Процедура подразумева да се за пет различитих концентрација бактерија врше мерења тј. очитавају се одзиви спектрометра (за 18 таласних дужина) и одзив нефелометра и одзив калибрисаног сензора за мерење концентрације бактерија за дефинисане комбинације (концентрација муља, концентрација алги) (црвено, плаво и зелено на Слици 4) које ће бити додате у припремљен раствор са одређеном концентрацијом бактерија.

Табела 1 детаљније описује ове комбинације концентрација.

Сваки дан узима се 6 узорака са истом концентрацијом бактерија. Сваки од узорака има фиксну концетрацију алги при том се муљ додаје у узорак и ради се укупно 6 брзих мерења на сваком узорку.

Значења у табели су следећа: b - бактерије, а - алге и m - муљ.

Свака бројна вредност у табели је релативна вредност концетрација (муља, бактерија, алги) где нпр. вредност 0.8 представља 80% од граничне вредности одређене у првом кораку.

Очитана вредност на сензору бактерија се коригује фактором корекције сигнала из корака 103 тест фазе 100, а на основу показивања нефелометра и спетрометра и корекционе фунције из корака 102 тест фазе 100.

Према овоме, за калибрацију уређаја за мерење је потребно укупно 5 концентрација триптофана који су у вези са пет вредности концентрација бактерија.

На крају као резиме може се рећи да је за калибрацију уређаја потребно 5 раствора муља различитих концентрација, са 5 концентрација алги (брза мерења, бактерије нису укључене) и 5 концентрација бактерија уз максимум 5 раствора муља и 5 концентрација алги, али ако се покаже да су зависности квази-линеарне, број мерења се може смањити.

Начин индустријске или друге примене проналаска

Проналазак налази примену на пољу мониторинга планинских и пијаћих вода.

Claims (11)

Патентни захтеви:

1. Метод за контролу квалитета воде при истовременом присуству бактерија, муља и алги хеуристичком методом који се састоји од тренинг фазе 100 која се одвија у лабораторијским условима и тест фазе 104 која се одвија у водотоковима на терену са кога уређај за мерење мери и шаље податке о бактеријама, муљу и алгама бежичним путем до контролне јединице на серверу назначен тиме да контрола квалитета воде раздваја сигнал бактерија од сигнала муља и алги у води путем тренинг фазе (100) која се одвија без присуства бактерија у води и садржи корак (101) учитавања вредности концентрације алги и муља путем спектрометра и нефелометра уређаја за мерење, затим корак (102) моделовања регресионе функције на основу учитане концентрације алги и муља и корак (103) одређивања корекционог фактора као односа концентрације муља и концентрације алги, након чега се одвија тест фаза (104) која садржи корак (105) мерења вредности концентрација муља, алги и бактерија путем уређаја за мерење сигнала, затим корак (106) примене функције из корака (102) тренинг фазе (100) која моделује концентрације муља и алги на терену, корак (107) корекције одзива сензора за бактерије на основу корекционог фактора из корака (103) тренинг фазе (100) и на крају естимације концентрације бактерија у кораку (108).

2. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да уређај за мерење садржи нефелометар, спектрометар и сензор за бактерије при чему нефелометар одређује замућеност раствора, спектрометар мери спектар раствора на 18 таласних дужина при чему је посебно укључена таласна дужина 680 nm и сензор за бактерије детектује и мери концентрацију бактерија у раствору на основу њихове особине флуоросценције.

3. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да се креиран сет података из корака (101) користи у кораку (102) да би се добила регресиона функција која за вредност аргумената узима нумеричке вредности одзива спектрометра и нефелометра, а као излазне вредности даје процењене, моделоване концентрације алги и муља, чији однос представља корекциони фактор.

4. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да је у кораку (102) моделована функција линеарна.

5. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да бактерија чија концентрација се мери је Е-coli бактерија.

6. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да се у тренинг фази (100) и тест фази (105) користе примарне, секундарне и екстерне променљиве и примарне променљиве су таласна дужина, амплитуда и фазни померај измереног сигнала и оне највише утичу на концентрацију бактерија у раствору; секундарне променљиве су температура, замућеност и спектар воде и оне делимично утичу на наведене фазе (100,104) метода, а делимично на функционалност система (мерног уређаја и сервера) и екстерне променљиве утичу само на функционалност система и обухватају територијално-временска ограничења.

7. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да су алге једноћелијска алга Chlorella (зелена алга) и тракаста алга Anabaena (модрозелена алга), као и мешана флора која обитава у спорострујећој води при чему алге имају карактеристичну апсорпциону траку на 680 nm, а тракасте алге имају и додатну апсорпциону траку на 440 nm.

8. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да се за детекцију алги у води користи таласна дужина од 680 nm и две таласне дужине од 660 и 720 nm као референтне вредности.

9. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да се фазама (100,104), уређај за мерење калибрише на начин да се сензор бактерија у чистој води калибрише до концентрације триптофана које одговарају распону концентрација патогених бактерија до 50.000 бак/100ссm са растером од 10.000 бак/100ссm, нефелометар се калибрише за замућеност до 100 NTU са кораком од 20 NTU и спектрометар се калибрише у чистој води да би се добила равна линија по целом спектру.

10. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да је концентрација муља од 2 g/l гранична концентрација.

11. Метод на основу захтева 1, назначен тиме да је област извора светлости уређаја за мерење 266 - 405 nm, а емитер светлости је ласер уског спектралног одзива.