Forschung

Bei jeder Kultivierung von Bakterien oder Zellen ist es wichtig, das Wachstum zu überwachen. Die Dichte einer Kultur bestimmt beispielsweise ihren Zustand und die Produktionserträge. Der aktuelle Standard für die Messung des Wachstums von Kulturen ist die Messung der optischen Dichte (OD), bei der die Intensität des durch die Probe transmittierten Lichts mit der Intensität des einfallenden Lichts verglichen wird. Diese Messungen werden häufig nur in großen zeitlichen Abständen und manuell durchgeführt. Sie liefern keine Informationen über die tatsächliche Konzentration der Bakterien oder Zellen. In diesem Projekt werden wir ein automatisiertes System entwickeln, das den Benutzern während der Kultivierung die Konzentration der Bakterien oder Zellen anzeigt. Die Schlüsseltechnologie, die dies ermöglicht, ist die 3D-Mikroskopie mit hohem Durchsatz, unterstützt durch eine präzise automatisierte Verdünnung, die in die Plattform von Holloid für holographische Bildgebung und Analytik integriert wird.

Die Trinkwasserversorgung zählt zur kritischen Infrastruktur Wiens. Es ist bemerkenswert, dass Wien auf hochwertiges Quellwasser aus den Hochquellengebieten rund um Schneeberg, Rax, Schneealpe und Hochschwab zurückgreifen kann. Das Wasser ist unbehandelt, mineralstoffreich und hygienisch einwandfrei. Es wird regelmäßig geprüft, doch die Qualitätskontrolle erfolgt derzeit vor allem über Messungen wie Trübung direkt in den Leitungen. Die Ursachen der Trübung sind jedoch noch unzureichend erforscht. Im Projekt HoloWaterAI wird holographische 3D-Mikroskopie eingesetzt, um lichtstreuende Objekte wie Sedimente, Pflanzenfragmente, Algen oder Bakterien zu identifizieren und zu analysieren. Diese Objekte werden anhand von Erscheinung, Form, Lichtstreuung und Bewegung charakterisiert. Mithilfe moderner Methoden des maschinellen Lernens werden die mit der holographischen Mikroskopie gewonnenen Daten mit konventionellen Analysetechniken und meteorologischen Daten verknüpft, um neue Erkenntnisse für das Umweltwassermonitoring zu gewinnen. Innovative IoT-Werkzeuge (Internet of Things) ermöglichen in Verbindung mit Digital-Twin-Technologie eine Echtzeitanalyse und erlauben Vorhersagen über bevorstehende Veränderungen in der Wasserqualität. Dies ermöglicht schnelle Entscheidungen mit kurzen Reaktionszeiten. Langfristig können so Entwicklungen erkannt werden, die mit klassischen Methoden verborgen bleiben. Die entwickelten Verfahren sind vielseitig einsetzbar und verbessern die Wasserüberwachung nachhaltig.

Die Basis für unsere Technologie ist die sogenannte Inline-Holographie-Mikroskopie. Wir strahlen kohärentes Licht durch ein transparentes Volumen mit mikroskopisch kleinen Objekten wie Bakterien, Sporen, Algen, Mikroplastik usw. darin. Diese Objekte streuen einen kleinen Teil dieses Lichts. Das gestreute Licht interferiert mit dem Beleuchtungsstrahl, wodurch Interferenzmuster entstehen, die von einer Kamera aufgenommen werden. Die in diesem Projekt weiterzuentwickelnde bahnbrechende Technologie verwendet Inline-Hologramme um das volle Lichtfeld über das gesamte Probenvolumen durch Backpropagation oder numerische Refokussierung zu berechnen. Dies bietet mehrere Vorteile: 1. Die Möglichkeit, nach der Bildaufnahme numerisch nachzufokussieren, vereinfacht die Aufnahme der Daten erheblich. 2. Zellen und Umweltpartikel können in ihrer natürlichen 3D-Umgebung beobachtet werden. 3. Es ist möglich, viel mehr Objekte gleichzeitig zu beobachten, als dies mit herkömmlicher Mikroskopie möglich ist, und es ist möglich, einen kontinuierlichen Fluss einer analysierten Flüssigkeit aufzuzeichnen. Basierend auf den mit dieser Technologie gesammelten Daten möchte Holloid Algorithmen entwickeln, die es Forschern und Umweltanalytikern ermöglichen, Bakterien und Mikropartikel gleichzeitig zu erkennen und zu quantifizieren, wobei ein Mikroskop/Sensor verwendet wird, der für die Umweltüberwachung einschließlich Grundwasser geeignet ist. Dies wird ein neues Mittel darstellen, das es den Verantwortlichen für die Wasserqualität in der Umwelt und letztendlich im Trinkwasser ermöglicht, neue Einblicke mit erheblichen Auswirkungen auf die Gesundheit unserer Ökosysteme und Menschen zu gewinnen. Schließlich können die Ergebnisse dieses Projekts die Grundlage für zahlreiche andere Anwendungen in der Umweltüberwachung und darüber hinaus bilden.