Development of real-time water quality measuring system

Abstract

The goal of this thesis is to determine if a device that can distinguish contaminated water from clean water can be developed. The motivation of the project is founded in the phenomenon of fluorescence that can be used to distinguish different substances from one another. The prototype of the thesis was developed in the photonics department of Tampere university at the applied optics research group. This thesis is a part of a bigger project that aims to develop a real-time water quality measuring system. The prototype developed for the project consists of four main type of components: the excitation light source, the photon detector, the optical components and data processing units. The excitation light source is used to induce the fluorescence effect. It excites the sample with a light of approximately 365 nm wavelength and as the excited sample returns to the ground state it emits photons with the wavelength characteristic to the target molecules inside the sample. The optical components such as lenses, filters and irises are used focus, the right amount of light to the sample. The filters are a crucial part of the prototype as the detector is quite sensitive for any additional light. The data processing units used in the prototype include the analog to digital converter, the control computer and the Python program. This thesis considers two experiments made with the prototype. The first experiment was done with an Avantes spectrometer. The goal of the experiment was to ensure the proper function of the filters used in the prototype. The result of the experiment shows that the function of the filters is satisfactory. The additional wavelengths that reach the sample and later the photon detector were reduced by the filters used in the prototype. The second and the main experiment of the thesis was the biofilm dilution series. The objective of the dilution series was to determine if the prototype is able to distinguish contaminated samples from clean reference samples. In the experiment three sets of five samples with differing dilution ratios were examined with the prototype. The result of the experiment suggests that the prototype is able to make a distinction between contaminated samples and the reference samples. The results obtained from two experiments suggests that the prototype is functioning as intended and the project can be continued to the next step of the development process.

Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää, onko mahdollista kehittää laite, jonka avulla pystytään erottamaan saastunut vesinäyte puhtaasta vesinäytteestä. Työ perustuu fluoresenssi-ilmiöön, jota voidaan käyttää eri aineiden toisistaan erottelussa. Työssä käytetty laitteisto on kehitetty Tampereen yliopiston fotoniikan laitoksen soveltavan optiikan tutkimusryhmässä. Tämä kandidaatintyö on osa suurempaa projektia, jonka tavoitteena on kehittää reaaliaikainen vedenlaadun tarkkailujärjestelmä. Tässä työssä kehitetty laitteisto koostuu neljästä komponenttityypistä, joita ovat: eksitaatio valonlähde, fotoni-ilmaisin, optiset komponentit ja tiedonkäsittelyn yksiköt. Eksitaatio valonlähdettä käytetään käynnistämän fluoresenssi-ilmiö. Valonlähde virittää näytteen noin 365 nm aallonpituuden valolla. Kun virittynyt näyte palaa perustilalle, se emittoi näytteellä tyypillisen emissiospektrin. Optisia komponentteja, kuten linssejä, filttereitä ja iiriksiä, käytetään saavuttamaan haluttu määrä oikean aallonpituista valoa niin näytteellä kuin fotoni-ilmaisimellakin. Filttereiden toiminta on laitteistolla erityisen tärkeä ominaisuus, koska ilmaisimena käytetty valomonistinputki on erittäin herkkä ylimääräiselle säteilylle. Tiedonkäsittely yksiköt laitteistossa ovat analogia-digitaalimuunnin, tietokone ja laitteistoa varten kehitetty Python-ohjelmakoodi. Tässä työssä tehtiin kaksi erillistä koetta, joilla tutkittiin laitteiston toimintakykyä. Ensimmäisessä kokeessa hyödynnettiin spektrometriä, jolla tarkasteltiin filttereiden toiminnan tasoa. Kokeen tuloksena huomattiin, että filtterit poistavat ylimääräisiä aallonpituuksia niin näytteen kuin valomonistinputkenkin kohdalta. Toisessa kokeessa suoritettiin biofilmien laimennossarja. Laimennossarjan tavoitteena oli selvittää, kykeneekö laitteisto erottamaan saastuneen näytteen puhtaasta näytteestä. Kokeessa käytettiin kolmea näytesarjaa, joista jokainen sisälsi viisi näytettä eri laimennossuhteilla. Kokeen tulos viittaisi siihen, että laitteisto kykenee erottamaan saastuneen ja puhtaan veden toisistaan. Työn lopputuloksena laitteisto toimii odotetulla tavalla ja mittausjärjestelmänkehitystyötä voidaan jatkaa seuraavaan vaiheeseen.