Optical detection module for algae species used as early warning system

198 Pages·2015·6.56 MB·English

by  Silvia Zieger

Optical detection module for algae species used as
early warning system
Silvia Zieger
MASTER’S THESIS
to achieve the university degree of
Master of Science (MSc)
in the Master’s degree programme: Chemie
submitted to
Graz University of Technology
Supervisor:
Univ.-Prof. Dipl.-Chem. Dr.rer.nat. Ingo Klimant
Institute of Analytical Chemistry and Food Chemistry
Graz,November,2015

Abstract
Algalbloomsaresensitivetoexternalenvironmentalconditions. However,algalbloomsmay
alsoposeaseriousthreattomarineandhumanlifeandhavethereforeanadverseeffectonthe
ecosystem.
Itisforthisreason,thatwatermonitoringtoolshavetorecognisetheseharmfulalgalblooms
at an early stage. The optical detection module, which was developed in the frame of the
SCHeMA project, will make an important contribution to this and support the long-term
monitoring of the oceans on-site as a miniaturised and low-cost early warning system. As
combinationofamicroflowcytometerandmulti-channelfluorometer,itisdesignedandmade
outofrobustcomponents,suchasLEDs,andrequireslittleenergyduringthemeasurements.
Algalcells,whicharepumpedthroughthesystem,areexcitedatcertainwavelengths;their
fluorescenceisrecordedandbasedontheircharacteristicabsorbancebehaviouradistinction
ofthealgaeismade. Theminiaturiseddesignofthedetectionmoduleenablesanimproved
sensitivityandthereforeadetectionofparticularcelleventsispossibleaswellasadetermina-
tionofthecelldensity.
In this work it is demonstrated that particular algal cells of medium size (22µm) can be
recordedonthedevicewithalightintensityof300pW. Thelimitofdetectioniscalculatedto
15pWoverthebackgroundlevel. Thepower,whichisrequiredduringthemeasurement,is
180mA·5V.
Moreover,acomprehensivecharacterisationof34differentalgaespeciesbelongingtoseven
differentphyla,isperformedanditisdemonstratedthataclearlydistinctionbetweencyanobac-
teria,whichareknowntoproducecyanotoxins,andotheralgalphylaispossiblebythemeans
ofthisdevice.
Asaresult,thisdevelopedopticaldetectionmodulecanbeconsideredasavaluableaddition
toexistingtechnologiesofearlydetectionofalgalblooms.
MasterthesisbySilviaZieger,November,2015 i

Zusammenfassung
Algenblüten reagieren sensibel auf externe, sich ändernde Umweltfaktoren. Andererseits
können auch Algenblüten eine Bedrohung für marines und menschliches Leben darstellen
undeinennegativenEffektaufdasÖkosystemausüben.
AusdiesemGrundbeschäftigtsichdieMeerwasserüberwachungmitderfrühzeitigenEr-
kennungdieserschädlichenAlgenblüten.DasimRahmendesSCHeMA-Projektesentwickelte
optische Detektionsmodul soll hierbei einen wertvollen Beitrag leisten und als miniaturi-
siertesundkostengünstigesFrühwarnsystemdieLangzeitüberwachungderMeerevorOrt
unterstützen.AlsKombinationausDurchflusszytometerundMehrkanal-Fluorimeter,istes
preiswert,ausrobustenKomponentenaufgebautundbenötigtnurwenigEnergiewährendden
Messungen.Algenzellen,diedurchdasSystemgepumptwerden,werdenbeiverschiedenen
Wellenlängenangeregt,derenemittierteFluoreszenzgemessenundeineUnterscheidungder
AlgenbasirendaufderencharakteristischemAnregungsverhaltendurchgeführt.Gleichzeitig
ermöglichtdasminiaturisierteDesigndesModuleseineverbesserteSensitivitätumeinzelne
Zellendetektierenzukönnen,wodurcheineBestimmungderZelldichteebenfallsermöglicht
wird.
DiedurchgeführtenTestszeigen,dasseinzelneZellenmiteinerdurchschnittlichenZellgröße
von 22µm mit einer Lichtintensität von 300pW detektiert werden können. Die Nachweis-
grenze liegt hierbei bei 15pW über dem entsprechenden Kanalpegel. Gleichzeitig liegt der
StromverbrauchwährendderMessnungbei180mA·5V.
Des Weiteren wurde eine umfassende Charakterisierung von 34 verschiedenen Algen aus
siebenverschiedenenStämmendurchgeführtundgezeigt,dasseineeindeutigeUnterschei-
dung zwischen Cyanobakterien, welche für ihre Cyanotoxine bekannt sind, von anderen
AlgenstämmendurchdasModulmöglichist.
InfolgedessenkanndasentwickelteDetektionsmodulalswertvolleErgänzungzubestehen-
denTechnologieninderFrüherkennungvonAlgenblütenbetrachtetwerden.
MasterthesisbySilviaZieger,November,2015 iii

STATUTORYDECLARATION
IdeclarethatIhaveauthoredthisthesisindependently,thatIhavenotusedotherthanthe
declaredsources/resources,andthatIhaveexplicitlyindicatedallmaterialwhichhasbeen
quotedeitherliterallyorbycontentfromthesourcesused. Thetextdocumentuploadedto
TUGRAZonlineisidenticaltothepresentmaster‘sthesis/diplomathesis/doctoraldissertation.
EIDESSTATTLICHEERKLÄRUNG
IcherkläreanEidesstatt,dassichdievorliegendeArbeitselbstständigverfasst,anderealsdie
angegebenenQuellen/Hilfsmittelnichtbenutzt,unddiedenbenutztenQuellenwörtlichund
inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Das in TUGRAZonline
hochgeladeneTextdokumentistmitdervorliegendenMasterarbeitidentisch.
Datum/Date Unterschrift/Signature
MasterthesisbySilviaZieger,November,2015 v

Acknowledgement
I would like to take this opportunity to thank everyone, without whose professional and
personalsupportthepreparationofthisworkinitsparticularformwouldhardlyhavebeen
possible.
Firstofall,Iwouldliketosaythankyoutomysupervisor,Prof. IngoKlimant,whointroduced
meintoanewandinterestingtheme,whoalwaysinspiredandmotivatedmewithhisideas
andwhowasgreatlyhelpfulforthesuccessofthethesisthroughhiscompetentsupervision.
Furthermore,IhavetothankGünterMistlbergerforthekindintroductionintheteamandthe
themeandgivingmeadvicesevenafterhisjobchange. Thanksfortheimportantdevelopment
oftheprototypes,withoutwhichthethesiswouldnothavebeensuccessful. Thanksalsofor
thetrust. IwantalsothankLukasandAlexfortheirtechnicalassistance,withoutwhichthe
implementation of the project would not have been possible. My thanks go also to Alfred
BurianfromtheStockholmUniversity,whoactsasimportantalgaesupporterandenablesthe
complexinvestigationofalgaeinthiswork.
Besides,Iamgratefulformycolleaguesandfriends. Heidiforsomesunnyandrelaxinghours
ontheroof,whichwecouldenjoy. Berniforbeingakindofmentorandencouragingme,when
themotivationwasmissing. Phipsforthecommonlunchbreaksandthefeelingofbelonging.
Moreover,IwanttothankChristopher,whonotonlysupportedmebyproofreadingmythesis,
butwhowaskindandhelpfulandalwaysupforacupofcoffee.
Iamalsogratefulformyfamily,especiallyformymomandmycousinKarin,whohavealways
supportedmeinmydecisionsandhaveanopendoorforme. Inparticular,Iwouldliketo
thankmyboyfriendKorbinian,whoisabletoalleviateanyofmyworriesbyhiswarmsmile
andgivesmethefeelingofhome.
Lastbutnotleast,Iwouldliketotakethisopportunitytothankallstaffmembersofthe1st
ACFCandmyfriendsinMunich,SouthTyrolandGraz,whosupportedandmotivatedme
duringmyyearsofstudyandwhohaveaccompaniedmeovertheyears.
SilviaZieger Graz,November,2015
MasterthesisbySilviaZieger,November,2015 vii