Entwicklung eines automatisierten, portablen Messsystems zur elektrochemischen Detektion von Escheria coli im Trinkwasser

Im Zuge der Arbeit wird ein Prototyp eines automatisierten und portablen Mess-
systems zur elektrochemischen Detektion von Escherichia coli (E. coli)-Bakterien
im Trinkwasser entwickelt. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf den mögli-
chen Einsatz außerhalb des Labors und die Bedienung durch nicht fachkundige
Personen gelegt. Die im Messsystem eingesetzte Identifikationsmethode der E. coli-
Bakterien beruht auf dem am Zentrum für Integrierte Sensorsysteme (ZISS) der
Donau-Universität Krems (DUK) erarbeiteten Nachweisverfahren der voltamme-
trischen Detektion anhand der β-D-Glukuronidase (GUS) Enzymaktivität. Die
Überprüfung auf E. coli-Bakterien wird dabei über eine Vermessung der Wasser-
probe mit einem Potentiostaten und Siebdruckelektroden (SPEs) durchgeführt.
Zu Beginn wurden aus den Funktionsschritten der Nachweismethode die Arbeits-
schritte des Messsystems abgeleitet und ein Konzept erstellt. Davon ausgehend
wurde der mechanische Aufbau entwickelt, als CAD-Modell konstruiert und in
Form eines Prototypen aufgebaut. Der Aufbau besteht aus folgenden Baugruppen:
Filtereinheit, Heizeinheit, Transporteinheit, Sensoreinheit und Elektronikeinheit.
Anschließend wurde die Hardware für den Steuerungs- und Messprozess entwi-
ckelt, ausgearbeitet und ebenfalls aufgebaut. In Hinblick auf den universellen
Einsatzort wurde das System auf die Verwendung eines single-board Computers
(SBC) abgestimmt. Danach wurde die Software zur Ansteuerung, Vermessung und
Auswertung des Messsystems programmiert. Im Anschluss erfolgte die Validierung
und Verifizierung aller relevanten Teilbereiche des Messsystems.
Die Überprüfung ergab, dass die im Messsystem eingebaute Heizeinheit eine
korrekte Inkubation der Probe innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereichs
ermöglicht. Des Weiteren konnte eine einwandfreie Probenentnahme und ausrei-
chende Dosierung der Probe an den Siebdruckelektroden (SPEs) nachgewiesen
werden. Eine Verifizierung der Messroutine anhand bekannter Labordaten der
DUK zeigte, dass die korrekte Vermessung und Auswertung von Messdaten mit
dem E. coli-Messsystem möglich ist. Die Validierung des integrierten Potentio-
staten anhand von Dummy Zellen ergab eine Qualität des Messsystems, welche
sich im Mittelfeld kommerzieller Geräte befindet. Mit einem vorhandenen Mess-
rauschen von ±5 nA bei einer Signalstärke von ca. 1000 − 6000 nA im relevanten
Spannungsbereich kann die Qualität als ausreichend hoch angenommen werden. Ei-
ne abschließende Verifizierung anhand verunreinigter Proben zeigte, dass mit dem
entwickelten Messsystem der korrekte Kontaminationsstatus der Probe ermittelt
werden kann.

In this thesis a prototype of an automatic and portable measuring system for
the electrochemical detection of Escherichia coli (E. coli) bacteria in tap water
is developed. In the development of the system, the focus is on in-situ measu-
rements at the water source and the handling of non-specialised people. The
detection method of the E. coli-bacteria is based on the identification process of
voltammetric detection utilising the β-D-Glukuronidase (GUS) enzyme activity
which is developed at the Department for Integrated Sensor Systems, Danube
University Krems. The proof of a water sample on the existence of E. coli-bacteria
is based on a measurement with a potentiostat and screen printed electrodes
(SPEs). The overall procedure was divided into several steps. Based on these steps,
the individual operations of the measuring system were designed and a concept of
the measuring unit was derived. Using this concept, the mechanical setup was
developed, modelled within a 3d CAD model and built as a prototype. The mecha-
nical setup consists of the following assemblies: filter unit, heating unit, transport
unit, sensor unit and electrical unit. Next, the hardware of the control process
and measurement process of the system was developed and built up. With regard
to the usage of the prototype outside the laboratory a single-board computer
was employed as a basis of the measuring system. Afterwards the software for
the control, measurement and analysis of the system was programmed. Next, a
validation and verification of all relevant components of the measuring system
was performed.
The verification of the built-in heating unit confirmed a correct incubation of the
sample within the given temperature range. With additional tests, an acceptable
sampling and appropriate dosage of the sample on the SPEs were ensured. The
measurement program of the E. coli measuring system was tested with known
laboratory datasets of the DUK and it was shown that the measuring and the
analyses of the data is correct. The validation of the integrated potentiostat
was performed by means of dummy cells. The observed quality of the self-made
potentiostat is comparable with commercial devices. The existing measurement
noise of ±5 nA in comparison to the signal strength about 1000 − 6000 nA in the
relevant voltage range is negligible. Therefore, one may state that the quality of
the self-made potentiostat is sufficient. A final verification with contaminated
samples confirmed that with the developed measuring system, the correct status
of the sample contamination can be determined.