Master's Thesis

Study of influence of toxical and nutritional elements on cell metabolism using combination of Raman spectroscopy and Laser-Induced breakdown spectroscopy

Final Thesis 2.55 MB

Author of thesis: Ing. Martin Mazura

Acad. year: 2015/2016

Supervisor: Ing. David Prochazka, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Aleš Hrdlička, Ph.D., Ph.D.

Abstract:

In this work on-line discrimination of six bacteria strains by means of the Multivariate discrimination analysis (MVDA) is presented. Principal components analysis (PCA) was selected as most suitable technique. Two analytical methods – Laser-Induced breakdown spectroscopy (LIBS) and Raman spectroscopy were equipped for chemical analysis of bacteria strains. In order to obtain the best possible bacteria strains differentiation, the data from both methods was analyzed in two ways separately and together. The data from both measurements was normalized separately and afterwards combined in one data frame for simultaneous analysis. This data frame contained information from both analytical methods. Moreover an influence of cultivation period for each bacteria strain was studied.
It was determined that Raman spectroscopy is able to discriminate two bacteria strains and LIBS even four bacteria strains. Using combination of both methods the complete discrimination was achieved. From information of first principal component it was determined that most valuable information in LIBS data is not included in different elemental composition but rather in influence of matrix effect. Solely the LIBS was utilized for studying the effect of cultivation period. It was possible to observe transformation of four bacteria strains within 24 hours.
Based on results of this work it is possible to assume that combination of Raman spectroscopy and LIBS, because of the complementary information, is suitable for fast discrimination of different bacteria species and strains. Moreover it was determined that LIBS is able to observe the transformation caused by cultivation period.

Keywords:

LIBS, Raman spectroscopy, principal components analysis, bacteria, Staphylococcus

Date of defence

21.06.2016

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. David Prochazka, Ph.D.

Autor se v práci zabývá problematikou rozlišení bakterií pomocí metod Ramanovi spektroskopie, a spektroskopie laserem buzeného plazmatu. Z důvodů komplikované spolupráce několika pracovišť se autor odchýlil od původních cílů práce, prezentované výsledky jsou však tematicky velmi blízké a rozsahem i náročností naprosto adekvátní. Teoretický popis obou použitých metod v práci je stručný a čtenáři dává pouze základní náhled do principů jejich fungování. Text je však doplněn odkazy na vhodnou literaturu. V praktické části se autor věnuje celému procesu rozlišení bakterií od samotného měření, přes filtrování a škálování datových souborů až po využití multivariační datové analýzy. Celkový přístup k problému je inovativní. Celá práce je velmi dobře strukturována a čtenáře provádí mezioborovou problematikou. Po grafické a stylistické stránce je práce na vysoké úrovni. Celkově práci hodnotím stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Autor řešil problematiku identifikace bakterií metodami LIBS a Ramanovy spektroskopie. Ačkoliv spektra LIBS ze vzorků bakterií kultivovaných na agaru v Petriho miskách jsou poměrně chudá, podařilo se metodou hlavních komponent rozlišit 4 shluky jednotlivých (pravděpodobně) druhů bakterií z 6 testovaných, Ramanovou spektroskopií pak pouze 2. Společným vyhodnocením spekter z obou metod pak lze rozlišit 5 shluků, z nichž 4 oddělují druhy bakterií. Lepšího rozlišení bakterií lze dosáhnout po delší době kultivace.
    Práce je velmi zajímavým propojením dvou technik a řeší praktický úkol originálním způsobem. Je výsledkem mezioborové spolupráce. Prezentované téma je řešeno odpovídajícím způsobem. Úvodní část a grafická podoba práce mají výbornou úroveň, pravopis je na vysoké úrovni, je zde jen minimum drobných chyb. Také je to první práce, kde jsem nenašel překlepy. K některým formulacím v Teoretické části, k diskuzi a popisu experimentů i výsledků mám však připomínky a dotazy.
1) Bylo by vhodné změnit i název práce, aby lépe vystihoval změnu cílů práce a řešenou problematiku.
2) Str. 8: „molová“ – má být správně molární hmotnost
3) Str. 12: Uvítal bych i stručné doporučení, jak matriční jevy kompenzovat.
4) Str. 13: „ Výsledkem je vysoko energiová forma molekuly…“ -Nevhodná formulace. V práci je jich více (např. str. 8, 11, 14).
5) Str. 15: Tvrzení v 2. odstavci vyvolává překvapivý dojem, že rozdíl energií mezi vyššími vibračními hladinami je přibližně stejný jako mezi základní a první excitovanou vibrační hladinou, což popírá obr. 8. V tomto přiblížení nelze porovnávat „příliš vzdálené“ hladiny.
6) Str. 16: „…může být vibrační energie molekuly rozdělena na různé „stupně volnosti“. Tři stupně volnosti popisují translační pohyb molekuly a tři rotační…“ Tvrzení vyvolává dojem, že vibrace molekuly se skládají z translačního a rotačního pohybu.
7) Str. 23: Obr. 14 by měl spíše ukazovat vnitřek interakční komory s modelovým vzorkem, např. ve formě fotografie s dokreslenými popisky.
8) Str. 24 a celá práce: Není mi jasné, zda byly identifikovány jednotlivé druhy bakterií nebo jejich kmeny nebo obojí a zda byl každý druh kultivován samostatně v Petriho misce nebo byla kultivována a proměřována i směs bakterií na jedné Petriho misce.
9) Str. 25: „Na obrázku 14 můžeme vidět, že na některých místech vzorku se neměřily vypěstované bakterie, ale jenom samotný agar.“ Tvrzení se zřejmě týká obr. 16, na obr. 14 je detail interakční LIBS komory systému Sci-Trace (Atom Trace, CZ).
10) Str. 28: Kapitola 3.1.1 Příprava měření je podle mě již vyhodnocování experimentálních dat, byť se ještě nejedná o vlastní statistickou analýzu.
11) Str. 37 a 38: Nebylo možné zobrazit průměrné Ramanovo spektrum pro každý kmen/druh bakterií, jako je tomu u analýzy LIBS? Jedno průměrné Ramanovo spektrum ze všech měření na obr. 27 o možnostech identifikace nic nevypovídá. Autor by měl výsledky této metody více a srozumitelněji komentovat.
12) Str. 42-45: Literatura – styl zápisu citovaných prací je nejednotný.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací C
Topics for thesis defence:
  1. 1) V jakém vztahu je kmen bakterií a druh bakterie? Co z toho jste rozlišoval a identifikoval ve Vaší studii?
  2. 2) Byla v jedné Petriho misce kultivována směs bakterií nebo v každé misce pouze jeden druh pro Vaše experimenty?
  3. 3) Proč se vybralo z 250 spekter LIBS 51. až 100. nejintenzivnější spektrum? Proč ne 101. až 150.? Bylo rozdělení intenzit spekter nesouměrné, např. log-normální? Můžete také ukázat, jaké byly rozdíly nebo shoda Ramanových spekter?
  4. 4) I když to není součástí Vaší práce, můžete vysvětlit, jak lze kompenzovat matriční jevy při kvantitativní analýze metodou LIBS?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová