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WO2002033400A1 - Method for characterizing, identifying and designating microbial mixtures by comparing ir, ft-ir, raman, ft-raman and gc analysis data with data from a reference database - Google Patents

Method for characterizing, identifying and designating microbial mixtures by comparing ir, ft-ir, raman, ft-raman and gc analysis data with data from a reference database Download PDF

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WO2002033400A1
WO2002033400A1 PCT/EP2001/011517 EP0111517W WO0233400A1 WO 2002033400 A1 WO2002033400 A1 WO 2002033400A1 EP 0111517 W EP0111517 W EP 0111517W WO 0233400 A1 WO0233400 A1 WO 0233400A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spectra
chromatograms
raman
case
microbial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2001/011517
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rudolf Hafenrichter
Robrecht Froyman
Harald Labischinski
Guido Schiffer
Jürgen Schmitt
Thomas Udelhoven
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Synthon KG
Original Assignee
Bayer AG
Synthon KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer AG, Synthon KG filed Critical Bayer AG
Priority to AU2001293865A priority Critical patent/AU2001293865A1/en
Publication of WO2002033400A1 publication Critical patent/WO2002033400A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01N33/0034General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector comprising two or more sensors, e.g. a sensor array comprising neural networks or related mathematical techniques

Definitions

  • the invention relates to a ner driving for characterizing, identifying and labeling microbial mixtures by means of ER. (Infrared), FT-IR (Fourier transform infrared), Raman, FT Raman (Fourier transform Raman) or GC analysis (gas chromatography).
  • Microbial mixtures are e.g. Bacterial mixtures, mixtures of yeasts or fungi. Such properties can be assigned to such microbial mixtures whose composition is unknown in detail. There are microbial mixtures that contain, for example, a certain natural substance
  • a change in the composition of the microbial mixture has a direct influence on the amount of organic matter synthesized.
  • Another application of microbial mixtures is in the area of displacement of undesirable bacterial cultures. For example, a characteristic mixture of bacteria in the intestine of chickens prevents Salmonella from settling in the intestine
  • the invention has for its object to develop a ner driving for fast, reliable and economical detection of ner changes in microbial mixtures or the detection of a specific state in microbial mixtures.
  • the ner driving according to the invention should also be able to be used effectively under the conditions of production in routine operation.
  • spectra / chromatograms of the microbial mixture are recorded, b. a reference database is provided which contains spectra / chromatograms of microbial mixtures classified into two or more predetermined classes, c. After comparison with the spectra / chromatograms of the reference database, the spectra / chromatograms of the microbial mixture are assigned to one of two or more predetermined classes.
  • the functional groups of all biochemical components of a microbial mixture such as peptides, proteins, polysaccharides, phospholipids and nucleic acids from intact cells, contribute to a spectrum / chromatogram of this microbial mixture.
  • the spectra are very complex due to the high number of contributions and include many different vibration modes of the biomolecules of the cell wall
  • the spectra / chromatograms are very specific for a composition, property or state of a microbial mixture and can therefore be used to identify, characterize or label the microbial mixture.
  • the method can be used for the classification of IR, FT-IR, Raman and FT-Raman spectra as well as for gas chromatograms and for chromatograms obtained from coupling methods such as GC-MS (gas chromatography and mass spectroscopy).
  • any of the spectroscopic measuring arrangements known per se such as transmission / absorption, attenuated total reflection, direct or diffuse reflection, can be used for IR or Raman spectroscopy.
  • the measurement in transmission / absorption is particularly advantageous.
  • the IR spectra are typically recorded in the spectral range of the so-called middle infrared between 500 - 4000 cm “1. In principle, the near infrared of 1000 - 4000 cm “ 1 can also be used.
  • the samples are preferably solid or liquid.
  • the use of multi-cuvettes for measuring several samples or the use of microspectrometric techniques is advantageous. This minimizes the sample quantity and the use of automated sample preprocessing and measurement takes place in order to increase the sample throughput. It can too
  • Sample carriers as used for microtiter plates or flow-through cells are used. It is also possible to use infrared light guides for location-independent measurement automation.
  • All water-insoluble optical materials commonly used in IR spectroscopy can be used as the material for cuvettes and sample carriers of the preparation variants described above, ZnSe having proven successful for a multi-sample element.
  • roughened metal plates or micrometallic grids are also suitable as sample holders, especially if they are designed on the scale of microtiter plates for a large number of samples and as disposable materials.
  • the amount of sample for the acquisition of IR spectra can be kept very small and only a few ⁇ l (2-5 ⁇ l). Depending on the specified conditions with or without beam focusing, amounts of substance from ⁇ g to ng can be used.
  • the diameters of the irradiated sample areas vary between 1-6 mm and 10-50 ⁇ m when microfused.
  • a possible classification can be that an investigated microbial mixture is suitable (“pass”) or unsuitable (“fail”) for a specific application or that it corresponds to different states (state A, state B or state C. etc.).
  • the spectra / chromatograms are classified by comparing the spectra / chromatograms of the sample to be examined with appropriately classified reference spectra / chromatograms of samples, their composition,
  • the reference spectra are in a reference database.
  • This reference database can also have the form of an artificial neural network in which the spectral information is stored in the form of neuronal weights and can be used for the evaluation.
  • the creation of the reference database is only required once for each characterization, identification or labeling with regard to a composition, property or condition.
  • spectra / chromatograms of samples of microbial mixtures are measured and these samples are characterized by further tests with regard to their composition, their property or their state and then for example the classes "passed” and "failed” or one of several classes of states assigned.
  • the sample preparation and the recording of the spectra / chromatograms are carried out in the same way for the reference samples and the unknown samples to be classified. It is crucial that all parameters for the reference sample measurement and the subsequent actual sample measurement are selected the same within narrow limits.
  • the physical measurement parameters of the measurements of the LR, FT-IR, Raman and FT-Raman spectra can be varied within the ranges customary in vibration spectroscopy without in practice as critical to the success of the
  • a sample type is a mixture that is always used for the same purpose as e.g. a commercial product based on a bacterial mixture.
  • the measurement parameters such as sample preparation, extraction, temperature program of the chromatograph, choice of separation columns can also be varied. It is only important when defining the parameters for the chromatogram extraction as well as sample preparation and sample preparation that the same parameters are selected within narrow limits for all measurements for a sample type.
  • the reference database and the assignment to one of two or more predetermined classes is preferably carried out by means of computer-aided pattern recognition, such as, for example, multivariate statistics (Devijer PA, and Kittler J., Pattern Recognition: A statistical approach, Prentice Hall; London 1982) using discriminant analysis, cluster analysis, distance measurements, multiple regression (Otto M. Chemometrie, VCH Publisher, Weinheim, 1997), or through artificial neural networks (Zupan J., and Gasteiger J., Neural Networks for Chemists. VCH-Publisher, 1993), machine learning, case-based classification (Schank RC, Dynamic Memory: A Theory of Reminding and Learning in Computers and People.
  • class x is based on a finite set of features x (such as wavelength) and is defined as
  • An artificial neural network is preferably used for the comparison and the assignment of spectra / chromatograms of unknown samples to one of two or more predetermined classes.
  • the input layer consists of input neurons that represent selected wavelengths. This information is passed on from the input layer to a hidden layer, where calculations take place in the hidden neurons. The information flow is either increased or decreased by the hidden neurons and the result of the calculation is passed on to the output layer.
  • the output layer corresponds to the specified classes, the number of output Neurons for the number of given classes. The activation of one of the output neurons is the result of the classification procedure.
  • the basic elements of the artificial neural network are defined as follows:
  • Input neurons are characterized by weight or strength.
  • An input variable Xj is multiplied by the synaptic weight W y .
  • the first index indicates the corresponding neuron and the second index the input end of the synapse to which the weight belongs.
  • the weights model the synaptic neural connections in their capacity to either amplify or attenuate an input signal.
  • the weights are real positive or negative numbers.
  • the propagation function (netj) is used to sum up all input signals on a neuron, weighted by the corresponding connections of the neuron. If necessary, an external bias ⁇ j is added, which amplifies or weakens the sum of the input signals, depending on whether ⁇ j is positive or negative.
  • the activation function (f (net j )) serves to limit the amplitude of the output of a neuron.
  • a neuron can use the output layer to calculate the assignment to one or more classes (FIG. 4).
  • the components of the input vectors x are the wavelengths for spectra and the peaks for chromatograms.
  • the output vector corresponds to the hidden neurons.
  • the output can correspond to the classes "fail" and "pass" of a classification system.
  • the artificial neural networks can be divided into two types, the multilayer perceptrons (multilayer perceptrons (MLPs)) and the networks with radial basic functions (RBFs).
  • MLPs multilayer perceptrons
  • RBFs radial basic functions
  • M k (x) f (ß k + ⁇ w kj f ( ⁇ w ß x, + ⁇ j ) + ⁇ w h x t ) Equation 4
  • W h weight in the output layer, running from input neuron i to
  • a fully connected RBF network including direct connections (shortcut connections) between input and output neurons is represented by the following approximation:
  • M k (x) f (ß k + ⁇ W Afl x -t j ⁇ , ⁇ j ) + ⁇ w *, *,) Equation 5
  • the radial basis functions h are based on the distance (mostly Euclidean) between the input vector and a so-called prototype vector
  • Equation 5 The prototype vectors, the so-called centers, represent the different classes in the training set.
  • the most common activation The function in RBF applications is the Gauss function, with gauss -> 0 if
  • Equation 5 takes into account the direct connections between input and output neurons.
  • An artificial neural feed-forward network with 3 layers is preferred, which uses a gradient descent method such as resililient propagation, backpropagation, quick-prop and variants of these methods as a learning algorithm.
  • Pre-processing of the spectra is preferably carried out before the classification.
  • This preprocessing can consist of a wavelength selection in the case of the vibration spectra or a feature selection in the case of the chromatograms.
  • the number of parameters for the classification model can thus be reduced and only extend to the optimal spectral ranges for the classification.
  • Redundant information or spectral ranges or chromatogram components without essential information can thereby be eliminated, which improves the quality and stability of the classification model.
  • the selection of one or more spectral ranges can be done by visual inspection of the spectra or, sensibly, by multivariate methods for the selection of spectral features.
  • the multivariate methods used are, in particular, the co ariancy analysis and the simple univariate analysis of variance (Otto M., chemometry, VCH-Puplisher, Weinheim 1997) or genetic algorithms (Holland J.H., Adaption in Natural and Artificial Systems 2nd edition
  • discriminant methods e.g. a distance measure, discriminant analysis
  • the differences between the classes can serve as a selection criterion. These differences between the classes can be analyzed using statistical methods such as the probability of errors, distance between classes (inter-class distance), probabilistic distance (probabilistic distance), probabilistic dependence and entropy. Univariate and multivariate selection criteria can be derived from this.
  • a univariate selection criterion is the F-value, which describes the ratio of the variance between and within the classes.
  • the search strategy relates to a ranking of the F-values. The determination of a predetermined number of wavelengths with the highest F values in each case or a predetermined threshold value for the F values can serve as a termination condition.
  • the principle in multiple covariance analysis is to iteratively link all unselected wavelengths (features) with already selected wavelengths (features) and calculate a partial F-value.
  • features unselected wavelengths
  • features already selected wavelengths
  • Classification is taken over in the set of the already selected wavelengths (features) (the so-called control variables) and accordingly taken from the set of the unselected wavelengths (features). This procedure is repeated until the desired number of selected wavelengths (features) has been reached or the maximum of the calculated F values falls below a predetermined threshold value.
  • the preprocessing of the spectra can also consist of data reduction e.g. by methods of multivariate statistics or the transformation of the data either with the help of the wavelet transformation or by main component
  • Disassembly e.g. main component analysis, factor analysis.
  • a step of processing the vibration spectra can also be carried out. Possible methods are, for example, calculation of the first or second derivative, spectra deconvolution or other methods for increasing the spectral contrast, which facilitate band detection and permit minimization of any existing baseline problems.
  • the method of the invention allows a characterization of "identity fying or labeling of a microbial mixture after receipt of
  • the method can be integrated very well into a routine process, since spectra recording and processing or the chromatography and the subsequent classification are completely computer-controlled and can be automated very easily. As a result, there is little need for personnel only for the simple sample preparation.
  • the method according to the invention can be carried out without the involvement of highly specialized experts, since the IR spectra / GC chromatograms are classified by the computer-aided pattern recognition methods optimized for the purpose.
  • Fig. 1 FT-IR absorption spectrum from Aviguard® Fig. 2: 1. Derivation of the absorption spectrum from Aviguard®
  • Layers Fig. 4 Schematic representation of a neuron, for example from the hidden layer Fig. 5: Classification using RBF networks with local kernel functions (a.) And with MLPs with hyperplanes (b.)
  • the Aviguard® product was characterized using the method according to the invention as an example.
  • Aviguard® is a product that is produced by industrial fermentation and consists of a wide range of aerobic and anaerobic bacteria. The bacterial mixture in the intestine of healthy adult chickens was simulated.
  • an IQassification scheme was created that corresponds to the classification as “pass” or “fail” according to the in-vivo quality test of a product batch from the Aviguard® manufacturing process. This quality test measures the effectiveness of Aviguard® in reducing colonization by Salmonella in young chickens.
  • FT-IR spectra of Aviguard® samples from a standardized fermentation process were compared with FT-IR spectra of samples that had not successfully gone through the same fermentation process. The differences in the spectra between these two groups were extracted and used for classification by means of chemometry and pattern recognition.
  • the FT-IR spectra from Aviguard® were recorded with a Bruker JJFS 28B spectrometer with a ZnSe sample holder with 15 sample positions.
  • the spectra were recorded with a DTGS detector and 64 scans in the wavelength range from 4000 to 500 cm "1.
  • the Fourier transformation was carried out with a Blackman-Harris 3-term apodization function (apodization function), a zero-filling factor of 4 to achieve a spectral resolution of 6 cm "1 and a data point interval of approximately 1 point per wavenumber.
  • the spectrometer was flooded with 500-1000 1 / h of dry air with the help of an air dryer during the recordings in order to avoid artefacts caused by steam lines minimize.
  • the water vapor content was measured during the recording of the spectra in the range from 1837 to 1847 cm “1 and was not more than 0.0003 AU.
  • the signal-to-noise ratio was not more than 0.0003 from peak to peak in the range from 2000 up to 2100 cm “1 .
  • a quality control test of the measured FT-IR spectra was applied to the spectra with minimum thresholds
  • Absorption (0.3245 AU) and maximum absorption (1.24 AU) to determine the linearity range of the detector.
  • a background spectrum was recorded before each measurement on a sample in order to compensate for the background. 7 independent measurements were made for each sample to include measurement-to-measurement variances for each sample.
  • FIG. 1 A spectrum of Aviguard® is shown as an example in Fig. 1.
  • the biochemical components of Aviguard® can be assigned to 5 broad IR absorption bands: 1 - 3000-2800 cm “1 fatty acid range, 2- 1700-1500 cm " 1
  • Protein range 3 - 1450-1200 cm “1 mixing range with carboxyl groups of proteins, free amino acids and polysacchiarids (1450-1400 cm “ 1 ) and RNA / DNA and phospholopid content (1250-1200 cm “1 ), 4 - 1200 -900 cm “1 polysaccharides, 5 - 900-700 cm " 1 finger area with significant contribution to the specific distinction.
  • the first derivative of the recorded spectra was calculated with a Savitzky-Golay algorithm with 9 points (A. Savitzky, MJ Golay, Anal. Chem. 36: 1627-1638, 1964) and then with a vector transformation normalized the entire recorded spectral range.
  • FIG. 2 shows the first derivative of the absorption spectrum from FIG. 1 over the entire wavelength range of 4000-500 cm "1 .
  • the spectra of the Aviguard® samples were each assigned to one of two classes, namely the classes "passed” and "failed". Based on this assignment A comparison was made between the spectra in the two classes in order to determine the variances of the spectra within the classes and between the classes (wavelength selection). Procedures were used to minimize the variance of spectra within a class and to maximize it between classes. This procedure was carried out data point by data point over the entire measured spectral range. The resulting spectral features with maximum distinctive character between the spectra of the two classes were then used for the classification.
  • the method used for this wavelength selection was the covariance analysis.
  • a 3-layer MLP consisting of an input layer, a hidden layer and an output layer, which were completely connected to each other, including direct connections between the input and output neurons, was used as an artificial neural network for classification , used.
  • Sigmoid transfer functions were used as transfer functions, both in the hidden layer and on the output layer.
  • a 1-out-of-n coding was used in the output vector of the artificial neural network, with each class being represented by an output unit. Exactly one position of the output vector was coded with "1" (corresponding to the position of the class to which the input pattern was assigned), and all other positions were coded with "0".
  • the results of the classification by the trained neural network were then evaluated using an analysis tool using the functions “winner takes all” (WTA) and “402040”.
  • WTA winner takes all
  • the WTA function accepts an output pattern for classification if one output neuron is activated higher than the others.
  • 402040 rule requires that with a possible output range from 0 to 1, the activation of one output neuron is greater than 0.6 (the upper 40% of the output range), with the other output neurons less than 0.4 (the lower 40% of the output range).
  • the output patterns remain unclassified in all other cases. Both methods were used to describe the result, with the 402040 rule being the stricter criterion for evaluating the result.
  • the data set consisted of 10 samples marked "failed” and 26 Aviguard® samples marked “passed”. Each sample consisted of
  • the error as the mean square of error (SSE) related to the validation, was 13.77 for the "402040" validation method.
  • the "WTA” validation method resulted in 92.25% correctly assigned spectra, 7.75% incorrectly assigned spectra and no unassignable spectra with a mean square of error (SSE) of 13.77.

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Abstract

In order to rapidly characterize, identify and designate microbial mixtures, vibrational spectra of samples are measured based on the IR, FT-IR, Raman and FT-Raman spectroscopy or gas chromatograms are recorded. The measurements are conducted in known experimental devices. The characterization and identification of microbial mixtures ensues by comparing the infrared, Raman spectra or the chromatograms of the gas chromatography or gas chromatography/mass spectroscopy of the sample to be examined with a reference database consisting of IR, FT-IR, Raman or FT-Raman spectra or of GC chromatograms/GC mass spectra that are classified into two or more classes according to the composition, to the property or to the state of the measured reference sample. The comparison preferably ensues using methods of pattern recognition such as artificial neural networks, multi-variant statistical models, machine learning, case-based classification and genetic algorithms.

Description

VERFAHREN ZUR CHARAKTERISIERUNG, IDENTIFIZIERUNG UND KENNZEICHNUNG VON MIKROBIELLEN MISCHUNGEN DURCH VERGLEICH VON IR-, FT-IR-, RAMAN-, FT-RAMAN- UND GC-ANALYSEDATEN MIT DATEN AUS EINER REFERENZDATENBANK METHOD FOR CHARACTERIZING, IDENTIFYING AND LABELING MICROBIAL MIXTURES BY COMPARING IR, FT-IR, RAMAN, FT-RAMAN AND GC ANALYSIS DATA WITH DATA FROM A REFERENCE DATABASE

Die Erfindung betrifft ein Nerfahren zur Charakterisierung, Identifizierung und Kennzeichnung von mikrobiellen Mischungen mittels ER. (Infrarot)-, FT-IR (Fourier- Transform-Infrarot)-, Raman-, FT-Raman (Fourier-Transform Raman)- oder GC- Analysen (Gaschromtographie).The invention relates to a ner driving for characterizing, identifying and labeling microbial mixtures by means of ER. (Infrared), FT-IR (Fourier transform infrared), Raman, FT Raman (Fourier transform Raman) or GC analysis (gas chromatography).

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Mikrobielle Mischungen sind z.B. Bakterienmischungen, Mischungen von Hefen oder Pilzen. Solchen mikrobiellen Mischungen deren Zusammensetzung im einzelnen unbekannt ist, können bestimmte Eigenschaften zugeordnet werden. Es gibt mikrobielle Mischungen, die beispielsweise einen bestimmten ΝaturstoffMicrobial mixtures are e.g. Bacterial mixtures, mixtures of yeasts or fungi. Such properties can be assigned to such microbial mixtures whose composition is unknown in detail. There are microbial mixtures that contain, for example, a certain natural substance

15 synthetisieren. Eine Änderung der Zusammensetzung der mikrobiellen Mischung hat einen direkten Einfluss auf die Menge an synthetisiertem Νaturstoff. Eine andere Anwendung von mikrobiellen Mischungen ist der Bereich der Verdrängung von unerwünschten Bakterienkulturen. Zum Beispiel verhindert eine charakteristische Bakterienmischung im Darm von Hühnern die Ansiedlung von Salmonellen im Darm15 synthesize. A change in the composition of the microbial mixture has a direct influence on the amount of organic matter synthesized. Another application of microbial mixtures is in the area of displacement of undesirable bacterial cultures. For example, a characteristic mixture of bacteria in the intestine of chickens prevents Salmonella from settling in the intestine

20 der Hühner.20 of the chickens.

Bisher gibt es keine zuverlässige analytische Methode, um das Vorhandensein einer bestimmten Eigenschaft bei einer gegebenen mikrobiellen Mischung vorherzusagen oder auch nur die unterschiedliche Zusammensetzung von mikrobiellen Mischungen 25 zu charakterisieren oder zu identifizieren. Die einzige Möglichkeit besteht in direktenSo far, there is no reliable analytical method to predict the presence of a particular property in a given microbial mixture, or even to characterize or identify the different composition of microbial mixtures 25. The only option is direct

Tests der Eigenschaft. Solche Tests sind langwierig und erfordern möglicherweise in vivo Test wie im oben beschrieben Fall der Hühner.Property tests. Such tests are lengthy and may require in vivo testing as in the chicken case described above.

Für die Qualitätskontrolle während einer Produktion und der damit verbundenen 30 Standardisierung des Herstellungsprozesses sind solche Tests ungeeignet. Erste Ansätze für eine Anwendung der FT-IR-Spektroskopie zur Identifizierung von Mikroorganismen für biomedizinische, biotechnologische oder diagnostische Anwendungen wurden veröffentlicht für Actinomyceten (Haag H., Gremlich H. -U., Bergmann R. and Sanglier J. -J. (1996) Characterization and identification of actinomycetes by FT-IR spectroscopy. J Microbiol. Meth. 27 (2-3), 157-163), Hefen in Nahrungsmitteln (Kümmerle M., Scherer S. and Seiler H. (1998) Rapid and reliable identification of food-borne yeasts by Fourier-transform infrared spectroscopy. App. Env. Microbiol. 64 (6), 2207-2214.), Pilz- und Algenpathogene von Tieren (Schmalreck A. F., Tränkle P., Nanca E. and Blaschke-Hellmessen R. (1998) Differentiation and characterization of Candida albicans, Exophiala dermatitidis and Prototheca spp. by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) in comparison with conventional methods. Mycoses. 41 (1), 71-77.) und einige Spezies der Familien Lactobacillus (Curk M. C, Peladan F. and Hubert J. C. (1994) Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy for identifying Lactobacillus species. FEMS Microbiol. Lett. 123, 241-248.), Listeria (Holt C, Hirst D.,Such tests are unsuitable for quality control during production and the associated standardization of the manufacturing process. The first approaches for the application of FT-IR spectroscopy to identify microorganisms for biomedical, biotechnological or diagnostic applications have been published for Actinomycetes (Haag H., Gremlich H. -U., Bergmann R. and Sanglier J. -J. (1996 ) Characterization and identification of actinomycetes by FT-IR spectroscopy. J Microbiol. Meth. 27 (2-3), 157-163), yeast in food (Kümmerle M., Scherer S. and Seiler H. (1998) Rapid and reliable identification of food-borne yeasts by Fourier-transform infrared spectroscopy. App. Env. Microbiol. 64 (6), 2207-2214.), fungal and algae pathogens of animals (Schmalreck AF, Tränkle P., Nanca E. and Blaschke- Hellmessen R. (1998) Differentiation and characterization of Candida albicans, Exophiala dermatitidis and Prototheca spp. By Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) in comparison with conventional methods. Mycoses. 41 (1), 71-77.) And some Species of the families Lactobacillus (Curk M. C, Peladan F. and Hubert JC (1994) Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy for identifying Lactobacillus species. FEMS Microbiol. Lett. 123, 241-248.), Listeria (Holt C, Hirst D.,

Sutherland A. and MacDonald F. (1995) Discrimination of species in the genus Listeria by Fourier transform infrared spectroscopy and canonical variate analysis. Appl. Env. Microbiol. 61, 377-378.), Streptococcus, Enterococcus (Goodacre R., Timmins E. M., Rooney P. J., Rowland J. J. and Kell D. B. (1996) Rapid identification of Streptococcus and Enterococcus species. FEMS Microbiol. Lett. 140Sutherland A. and MacDonald F. (1995) Discrimination of species in the genus Listeria by Fourier transform infrared spectroscopy and canonical variate analysis. Appl. Env. Microbiol. 61, 377-378.), Streptococcus, Enterococcus (Goodacre R., Timmins E.M., Rooney P.J., Rowland J.J. and Kell D.B. (1996) Rapid identification of Streptococcus and Enterococcus species. FEMS Microbiol. Lett. 140

(2-3), 233-239.), Clostridium (Franz M. (1994) Identifizierung von Clostridien mittels FT-IR Spektroskopie. Dtsch. Milchwirtsch. 3, 130-132.) Bacillus, Pseudomonas und Taphylococcus, Candida (Schmitt j., T. Udeüioven (2000): Use of Artificial neural networks in biomedical applications. In: Gremlich H.-U., B. Yan: Infrared and Raman Spectroscopy of biologic materials. Marcel Dekker, New York, p. 379-420.). Anwendungen in der klinischen Mikrobiologie und biomedizinische Anwendungen sind in H. Mantsch, M. Jackson (Infrared Spectroscopy: A New Tool in Medicine. Washington D.C., 1998) und in A. Mahadevan- Jansen, G. Puppeis (Biomedical Spectroscopy: Vibrational spectroscopy and other novel techniques, Washington D.C., Bellingham, SPIE Vol. 3918, 2000) zusammengefasst. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nerfahren zum schnellen, zuverlässigen und ökonomischen Nachweis von Neränderungen in mikrobiellen Mischungen oder den Nachweis eines spezifischen Zustandes in mikrobiellen Mischungen zu entwickeln. Das erfindungsgemäße Nerfahren soll auch unter den Bedingungen der Produktion im Routinebetrieb effektiv einsetzbar sein.(2-3), 233-239.), Clostridium (Franz M. (1994) Identification of clostridia by FT-IR spectroscopy. Dtsch. Milchwirtsch. 3, 130-132.) Bacillus, Pseudomonas and Taphylococcus, Candida (Schmitt j ., T. Udeüioven (2000): Use of Artificial neural networks in biomedical applications. In: Gremlich H.-U., B. Yan: Infrared and Raman Spectroscopy of biologic materials. Marcel Dekker, New York, p. 379-420 .). Applications in clinical microbiology and biomedical applications are described in H. Mantsch, M. Jackson (Infrared Spectroscopy: A New Tool in Medicine. Washington DC, 1998) and in A. Mahadevans-Jansen, G. Puppeis (Biomedical Spectroscopy: Vibrational spectroscopy and other novel techniques, Washington DC, Bellingham, SPIE Vol. 3918, 2000). The invention has for its object to develop a ner driving for fast, reliable and economical detection of ner changes in microbial mixtures or the detection of a specific state in microbial mixtures. The ner driving according to the invention should also be able to be used effectively under the conditions of production in routine operation.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, das die folgenden Verfahrens- schritte nacheinander ausgeführt werdenAccording to the invention, the object is achieved in that the following method steps are carried out in succession

a. die Spektren/Chromatogramme der mikrobiellen Mischung werden aufgenommen, b. eine Referenzdatenbank, die in zwei oder mehrere vorgegebene Klassen klassifizierte Spektren/Chromatogramme von mikrobiellen Mischungen enthält, wird bereitgestellt, c. die Spektren/Chromatogramme der mikrobiellen Mischung werden nach Vergleich mit den Spektren/Chromatogrammen der Referenzdatenbank einer von zwei oder mehreren vorgegebenen Klassen zugeordnet.a. the spectra / chromatograms of the microbial mixture are recorded, b. a reference database is provided which contains spectra / chromatograms of microbial mixtures classified into two or more predetermined classes, c. After comparison with the spectra / chromatograms of the reference database, the spectra / chromatograms of the microbial mixture are assigned to one of two or more predetermined classes.

Die funktioneilen Gruppen aller biochemischen Bestandteile einer mikrobiellen Mischung wie Peptide, Proteine, Polysacchiaride, Phospholipide und Nukleinsäuren von intakten Zellen tragen zu einem Spektrum/Chromatrogramm dieser mikrobiellen Mischung bei.The functional groups of all biochemical components of a microbial mixture, such as peptides, proteins, polysaccharides, phospholipids and nucleic acids from intact cells, contribute to a spectrum / chromatogram of this microbial mixture.

Die Spektren sind aufgrund der hohen Zahl von Beiträgen sehr komplex und beinhalten viele verschiedene Vibrationsmoden der Biomoleküle der Zellwand, derThe spectra are very complex due to the high number of contributions and include many different vibration modes of the biomolecules of the cell wall

Membran, des Cytoplasma und der extrazellulären polymeren Substanzen.Membrane, the cytoplasm and the extracellular polymeric substances.

Die Spektren/Chromatogramme sind trotz ihrer Komplexität sehr spezifisch für eine Zusammensetzung, Eigenschaft oder einen Zustand einer mikrobiellen Mischung und können deshalb zur Identifizierung, Charakterisierung oder Kennzeichnung der mikrobiellen Mischung herangezogen werden. Das Verfahren ist für die Klassifizierung von IR-, FT-IR-, Raman- und FT- Ramanspektren sowie für Gaschromatogramme und für aus Kopplungsverfahren wie GC-MS (Gaschromatographie und Massenspektroskopie) gewonnene Chromato- gramme anwendbar.Despite their complexity, the spectra / chromatograms are very specific for a composition, property or state of a microbial mixture and can therefore be used to identify, characterize or label the microbial mixture. The method can be used for the classification of IR, FT-IR, Raman and FT-Raman spectra as well as for gas chromatograms and for chromatograms obtained from coupling methods such as GC-MS (gas chromatography and mass spectroscopy).

Für die IR- oder Raman-Spektroskopie kann jede der an sich bekannten spektroskopischen Messanordnungen eingesetzt werden wie Transmission/Absorption, abgeschwächte Totalreflexion, direkte oder diffuse Reflexion. Besonders vorteilhaft ist die Messung in Transmission/Absorption.Any of the spectroscopic measuring arrangements known per se, such as transmission / absorption, attenuated total reflection, direct or diffuse reflection, can be used for IR or Raman spectroscopy. The measurement in transmission / absorption is particularly advantageous.

Die Aufnahme der IR-Spektren erfolgt typischerweise im Spektralbereich des sogenannten mittleren Infrarots zwischen 500 - 4000 cm"1. Prinzipiell kann auch das nahe Infrarot von 1000 - 4000 cm"1 dazu herangezogen werden.The IR spectra are typically recorded in the spectral range of the so-called middle infrared between 500 - 4000 cm "1. In principle, the near infrared of 1000 - 4000 cm " 1 can also be used.

Die Proben sind vorzugsweise fest oder flüssig. Bei der Messung ist der Einsatz von Multiküvetten für das Messen mehrerer Proben oder der Einsatz mikrospektro- metrischer Techniken vorteilhaft. Dadurch kann eine Mmimierung der Probenmenge erreicht werden und der Einsatz einer automatisierten Probenvorverarbeitung und - Messung erfolgen um so den Probendurchsatz zu erhöhen. Es können auchThe samples are preferably solid or liquid. When measuring, the use of multi-cuvettes for measuring several samples or the use of microspectrometric techniques is advantageous. This minimizes the sample quantity and the use of automated sample preprocessing and measurement takes place in order to increase the sample throughput. It can too

Probenträger wie sie für Mikrotiterplatten verwendet werden oder Durchfluss- küvetten, benutzt werden. Es ist auch der Einsatz von Infrarotlichtleitern für eine ortsunabhängigere Messautomatisierung möglich.Sample carriers as used for microtiter plates or flow-through cells are used. It is also possible to use infrared light guides for location-independent measurement automation.

Als Material für Küvetten und Probenträger der oben beschriebenen Präparationsvarianten können alle in der IR-Spektroskopie üblicherweise verwendeten wasserunlöslichen optischen Materialien eingesetzt werden wie Ge, ZnSe, CaF2, BaF2 wobei sich für ein Multiprobenelement ZnSe bewährt hat. Aber auch aufgeraute Metallplatten oder Mikrometallgitter sind als Probenhalter geeignet, besonders wenn sie im Maßstab der Mikrotiterplatten für eine Vielzahl von Proben und als Einwegmaterialien konzipiert sind. Die Probenmenge für die Aufnahme von IR-Spektren kann sehr klein gehalten werden und nur wenige μl (2-5 μl) betragen. Je nach den vorgegebenenen Bedingungen mit oder ohne Strahlfokussierung können Substanzmengen von μg bis ng eingesetzt werden. Die Durchmesser der durchstrahlten Probenareale variieren zwischen 1-6 mm und 10-50 μm bei einer Mikrofukussierung.All water-insoluble optical materials commonly used in IR spectroscopy, such as Ge, ZnSe, CaF2, BaF 2 , can be used as the material for cuvettes and sample carriers of the preparation variants described above, ZnSe having proven successful for a multi-sample element. However, roughened metal plates or micrometallic grids are also suitable as sample holders, especially if they are designed on the scale of microtiter plates for a large number of samples and as disposable materials. The amount of sample for the acquisition of IR spectra can be kept very small and only a few μl (2-5 μl). Depending on the specified conditions with or without beam focusing, amounts of substance from μg to ng can be used. The diameters of the irradiated sample areas vary between 1-6 mm and 10-50 μm when microfused.

Eine mögliche Klassifizierung kann darin bestehen, dass eine untersuchte mikrobielle Mischung für eine bestimmte Anwendung geeignet („pass") oder ungeeignet („fail") ist oder verschiedenen Zuständen (Zustand A, Zustand B oder Zustand C.usw.) entspricht.A possible classification can be that an investigated microbial mixture is suitable (“pass”) or unsuitable (“fail”) for a specific application or that it corresponds to different states (state A, state B or state C. etc.).

Die Klassifizierung der Spektren/Chromatogramme erfolgt über einen Vergleich der Spektren/Chromatogramme der zu untersuchenden Probe mit entsprechend klassi- fizierten Referenzspektren/-chromatogrammen von Proben, deren Zusammensetzung,The spectra / chromatograms are classified by comparing the spectra / chromatograms of the sample to be examined with appropriately classified reference spectra / chromatograms of samples, their composition,

Eigenschaft oder Zustand bekannt ist, den Referenzspektren. Die Referenzspektren befinden sich in einer Referenzdatenbank. Diese Referenzdatenbank kann auch die Form eines künstlichen neuronalen Netzes besitzen, in dem die spektralen Informationen in Form neuronaler Gewichte gespeichert sind und für die Auswertung heran- gezogen werden können.Property or state is known, the reference spectra. The reference spectra are in a reference database. This reference database can also have the form of an artificial neural network in which the spectral information is stored in the form of neuronal weights and can be used for the evaluation.

Die Erstellung der Referenzdatenbank ist für jede Charakterisierung, Identifizierung oder Kennzeichnung bezüglich einer Zusammensetzung, Eigenschaft oder eines Zustandes nur einmal erforderlich.The creation of the reference database is only required once for each characterization, identification or labeling with regard to a composition, property or condition.

Für den Aufbau der Referenzdatenbank werden Spektren/Chromatogramme von Proben von mikrobiellen Mischungen gemessen und diese Proben durch weitere Tests bezüglich ihrer Zusammensetzung, ihrer Eigenschaft oder ihre Zustandes charakterisiert und dann beispielsweise den Klassen „passed" und „failed" oder einer von mehreren Klassen von Zuständen zugeordnet. Die Probenpräparation und die Aufnahme der Spektren/Chromatogramme werden in gleicher Weise bei den Referenzproben und den unbekannten, zu klassifizierenden Proben durchgeführt. Entscheidend ist, dass alle Parameter für die Referenzprobenmessung und die spätere eigentliche Probenmessung in engen Grenzen gleich gewählt werden.For the construction of the reference database, spectra / chromatograms of samples of microbial mixtures are measured and these samples are characterized by further tests with regard to their composition, their property or their state and then for example the classes "passed" and "failed" or one of several classes of states assigned. The sample preparation and the recording of the spectra / chromatograms are carried out in the same way for the reference samples and the unknown samples to be classified. It is crucial that all parameters for the reference sample measurement and the subsequent actual sample measurement are selected the same within narrow limits.

Die physikalischen Messparameter der Messungen der LR-, FT-IR-, Raman- und FT- Raman-Spektren, wie die spektrale Auflösung oder die Anzahl der gemittelten Spektren etc. können innerhalb der in der Schwingungs-Spektroskopie üblichen Bereiche variiert werden, ohne sich in der Praxis als kritisch für den Erfolg derThe physical measurement parameters of the measurements of the LR, FT-IR, Raman and FT-Raman spectra, such as the spectral resolution or the number of averaged spectra, etc., can be varied within the ranges customary in vibration spectroscopy without in practice as critical to the success of the

Klassifizierung bzw. die Auswertung zu erweisen. Wichtig bei der Festlegung der Parameter der Spektrengewinnung sowie der Probenaufarbeitung und Probenpräparation ist lediglich, dass für alle Messungen zu einem Probentyp in engen Grenzen gleiche Parameter gewählt werden. Unter einem Probentyp wird eine Mischung verstanden, die immer für denselben Zweck eingesetzt wird wie z.B. ein Handelsprodukt basierend auf einer bakteriellen Mischung.Classification or evaluation to prove. It is only important when specifying the parameters for spectra collection and sample preparation and sample preparation that the same parameters are selected within narrow limits for all measurements of a sample type. A sample type is a mixture that is always used for the same purpose as e.g. a commercial product based on a bacterial mixture.

Für die chromatographischen Methoden können die Messparameter wie Probenvorbereitung, Extraktion, Temperaturprogramm der Chromatographen, Wahl der Trennsäulen ebenfalls variiert werden. Wichtig bei der Festlegung der Parameter für die Chromatogrammgewinnung sowie der Probenaufarbeitung und Probenpräparation ist lediglich, dass für alle Messungen zu einem Probentyp in engen Grenzen gleiche Parameter gewählt werden.For the chromatographic methods, the measurement parameters such as sample preparation, extraction, temperature program of the chromatograph, choice of separation columns can also be varied. It is only important when defining the parameters for the chromatogram extraction as well as sample preparation and sample preparation that the same parameters are selected within narrow limits for all measurements for a sample type.

Der Vergleich von Spektren/Chromatogrammen unbekannter Proben mit derThe comparison of spectra / chromatograms of unknown samples with the

Referenzdatenbank und die Zuordnung zu einer von zwei oder mehr vorgegebenen Klassen erfolgt vorzugsweise mittels Methoden der computergestützten Mustererkennung, wie z.B. multivariaten Statistik (Devijer P.A., and Kittler J., Pattern Recognition: A statistical approach, Prentice Hall; London 1982) beispielsweise unter Verwendung von der Diskriminanzanalyse, Clusteranalyse, Distanzmaße, multiple Regression (Otto M. Chemometrie, VCH Publisher, Weinheim, 1997), oder durch künstliche neuronale Netze (Zupan J., and Gasteiger J., Neural Networks for Chemists. VCH-Publisher, 1993), maschinelles Lernen, fallbasiertes Klassifizieren (Schank R.C., Dynamic Memory: A Theory of Reminding and Learning in Computers and People. Cambridge University Press 1982), genetische Algorithmen (Holland J.H., Adaption in Natural and Artificial Systems 2. Auflage MIT Press, Boston, 1992) oder evolutionäres Programmieren ( Fogel L.J., Owens A.J., Walsh M.J: Artificial Intelligence through Simulated Evolution, John Wiley 1966 and Fogel D.B., Evolving Artificial Intelligence, Ph.D. thesis, University of California at San Diego, 1992).The reference database and the assignment to one of two or more predetermined classes is preferably carried out by means of computer-aided pattern recognition, such as, for example, multivariate statistics (Devijer PA, and Kittler J., Pattern Recognition: A statistical approach, Prentice Hall; London 1982) using discriminant analysis, cluster analysis, distance measurements, multiple regression (Otto M. Chemometrie, VCH Publisher, Weinheim, 1997), or through artificial neural networks (Zupan J., and Gasteiger J., Neural Networks for Chemists. VCH-Publisher, 1993), machine learning, case-based classification (Schank RC, Dynamic Memory: A Theory of Reminding and Learning in Computers and People. Cambridge University Press 1982), genetic algorithms (Holland JH, Adaptation in Natural and Artificial Systems 2nd edition MIT Press, Boston, 1992) or evolutionary programming (Fogel LJ, Owens AJ, Walsh MJ: Artificial Intelligence through Simulated Evolution, John Wiley 1966 and Fogel DB, Evolving Artificial Intelligence, Ph.D. thesis, University of California at San Diego, 1992).

Die Beschreibung einer Klasse x basiert auf einem endlichen Set von Merkmalen x (wie z.B. Wellenlänge) und wird definiert alsThe description of a class x is based on a finite set of features x (such as wavelength) and is defined as

Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0001

Bevorzugt wird ein künstliches neuronales Netz für den Vergleich und die Zuordnung von Spektren/Chromatogrammen unbekannter Proben zu einer von zwei oder mehreren vorgegebenen Klassen verwendet.An artificial neural network is preferably used for the comparison and the assignment of spectra / chromatograms of unknown samples to one of two or more predetermined classes.

Ein solches künstliches neuronales Netz bestehend aus 3 Schichten ist schematisch inSuch an artificial neural network consisting of 3 layers is shown schematically in

Fig. 3 gezeigt. Die Eingabeschicht (input layer) besteht aus Eingabe-Neuronen, welche ausgewählte Wellenlängen repräsentieren. Diese Informationen werden von der Eingabeschicht zu einer verdeckten Schicht (hidden layer) weitergeleitet, wo Berechnungen in den verdeckten Neuronen stattfinden. Der Informationsfluss wird durch die verdeckten Neuronen entweder vergrößert oder verringert und das Ergebnis der Berechnung wird zur Ausgabeschicht (output layer) weitergeleitet. Die Ausgabeschicht korrespondiert zu den vorgegebenen Klassen, die Zahl der Ausgabe- Neuronen zur Zahl der vorgegebenen Klassen. Die Aktivierung eines der Ausgabe- Neuronen ist das Ergebnis der Klassifizierungsprozedur.Fig. 3 shown. The input layer consists of input neurons that represent selected wavelengths. This information is passed on from the input layer to a hidden layer, where calculations take place in the hidden neurons. The information flow is either increased or decreased by the hidden neurons and the result of the calculation is passed on to the output layer. The output layer corresponds to the specified classes, the number of output Neurons for the number of given classes. The activation of one of the output neurons is the result of the classification procedure.

Ein Neuron ist eine Zelle zur Informationsverarbeitung, die eine Ausgabe erzeugt, wenn der kumulierte Effekt aller Eingabeinformationen einen bestimmtenA neuron is an information processing cell that produces an output when the cumulative effect of all input information reaches a particular one

Schwellenwert überschreitet. In Fig. 4 ist der Informationsfluss an einem Neuron illustriert.Threshold exceeded. The flow of information on a neuron is illustrated in FIG.

Die Basiselemente des künstlichen neuronalen Netzes werden folgendermaßen definiert:The basic elements of the artificial neural network are defined as follows:

Eingabe-Neuronen werden durch ein Gewicht oder eine Stärke charakterisiert. Eine Eingabegröße Xj wird multipliziert mit dem synaptischen Gewicht Wy. Der erste Index weist dabei auf das entsprechende Neuron hin und der zweite Index auf das Eingabeende der Synapse zu der das Gewicht gehört. Die Gewichte modellieren die synaptischen neuronalen Verbindungen in ihrer Eigenschaft ein Eingangssignal entweder zu verstärken oder abzuschwächen. Die Gewichte sind reelle positive oder negative Zahlen.Input neurons are characterized by weight or strength. An input variable Xj is multiplied by the synaptic weight W y . The first index indicates the corresponding neuron and the second index the input end of the synapse to which the weight belongs. The weights model the synaptic neural connections in their capacity to either amplify or attenuate an input signal. The weights are real positive or negative numbers.

Die Propagierungsfunktion (netj) dient zum Aufsummieren aller Eingangssignale an einem Neuron, gewichtet durch die entsprechenden Verbindungen des Neurons. Gegebenenfalls wird noch ein äußerer Bias θj addiert, der Summe der Eingangssignale verstärkt oder abschwächt, je nachdem ob θj positiv oder negativ ist.The propagation function (netj) is used to sum up all input signals on a neuron, weighted by the corresponding connections of the neuron. If necessary, an external bias θj is added, which amplifies or weakens the sum of the input signals, depending on whether θj is positive or negative.

netj = ,wvy Gleichung 1net j =, w v + θ y equation 1

1=01 = 0

Die AJctivierungsfunktion (f(netj)) dient zur Begrenzung der Amplitude der Ausgabe eines Neurons.The activation function (f (net j )) serves to limit the amplitude of the output of a neuron.

aj = f(netj) Gleichung 2 Die am häufigsten genutzte Aktivie ngsfunktion ist:a j = f (net j ) equation 2 The most frequently used activation function is:

log (*) = 7— Gleichung 3log (*) = 7 - equation 3

Ein Neuron kann durch die Ausgabeschicht die Zuordnung zu einer oder mehreren Klassen berechnen (Fig. 4). Die Komponenten der Eingabevektoren x sind bei Spektren die Wellenlängen und bei den Chromatogrammen die Peaks. Im Fall eines künstlichen neuronalen Netzes mit 3 Schichten korrespondiert der Ausgabevektor mit den versteckten Neuronen. In einem Beispiel mit zwei Klassen kann die Ausgabe mit den Klassen „fail" und „pass" eines Klassifikationssystems korrespondieren.A neuron can use the output layer to calculate the assignment to one or more classes (FIG. 4). The components of the input vectors x are the wavelengths for spectra and the peaks for chromatograms. In the case of an artificial neural network with 3 layers, the output vector corresponds to the hidden neurons. In an example with two classes, the output can correspond to the classes "fail" and "pass" of a classification system.

Die künstlichen neuronalen Netze lassen sich in zwei Arten unterteilen, die Mehr- schicht-Perceptrons (multilayer perceptrons (MLPs)) und die Netze mit radialen Basisfunktionen (RBFs). Die Strukturen dieser zwei Arten von neuronalen NetzenThe artificial neural networks can be divided into two types, the multilayer perceptrons (multilayer perceptrons (MLPs)) and the networks with radial basic functions (RBFs). The structures of these two types of neural networks

(Bishop CM. (1995). Neural networks for pattern recognition, Clarendon press, Oxford) sind unterschiedlich. Während MLPs die Zuordnung zu den verschiedenen Klassen durch die versteckten Neuronen vornehmen und sozusagen die Hyperebenen im Eingaberaum darstellen, repräsentieren die RBFs eine Klassenzuordnung durch lokale Kernel-Funktionen (Fig. 5).(Bishop CM. (1995). Neural networks for pattern recognition, Clarendon press, Oxford) are different. While MLPs assign the different classes through the hidden neurons and represent the hyperplanes in the input space, so to speak, the RBFs represent a class assignment using local kernel functions (FIG. 5).

Ein expliziter Ausdruck für ein vollständig verbundenes 3-Schicht MLP ist:An explicit expression for a fully connected 3-layer MLP is:

M k (x) = f(ßk + ∑ wkjf (∑ wßx, + θj ) +∑ whxt ) Gleichung 4M k (x) = f (ß k + ∑ w kj f (∑ w ß x, + θ j ) + ∑ w h x t ) Equation 4

7=1 ;=1 (=1 k=l,2...,K wobei:7 = 1; = 1 (= 1 k = 1, 2 ..., K where:

- = Aktivierung des Ausgabeneurons k durch Eingabevektor xf=xι, x2, k x)- = activation of the output neuron k by input vector xf = xι, x 2 , k x)

Xn M>J, = Gewicht in der versteckten Schicht laufend, von Eingabe-Neuron i zu verstecktem Neuron j Wk, = Gewicht in der Ausgabe-Schicht, laufend von verstecktem Neuron Neuron j zu Ausgabe-Neuron kXn M> J , = weight running in the hidden layer, from input neuron i to hidden neuron j W k , = weight in the output layer, running from hidden neuron neuron j to output neuron k

Wh = Gewicht in der Ausgabe-Schicht, laufend von Eingabe-Neuron i zuW h = weight in the output layer, running from input neuron i to

Ausgabe-Neuron k (shortcut- Verbindung) θ/cj = Biases von Ausgabe-Schicht und versteckter Schicht /' = Aktivierungsfunktionen für Ausgabe-Schicht und versteckte Schicht n, M, K = Zahl der Eingabe-, versteckten und Ausgabe-NeuronenOutput neuron k (shortcut connection) θ / cj = biases of output layer and hidden layer / '= activation functions for output layer and hidden layer n, M, K = number of input, hidden and output neurons

Künstliche neuronale Netze mit radialen Basisfunktionen zeigen eine lokaleres Modellierungsverhalten als die MLPs und bewirken dadurch eine bessere Erfassung von Ausreißern. Ein vollständig verbundenes RBF-Netzwerk inklusive direkten Ver- bindungen (shortcut- Verbindungen) zwischen Eingabe- und Ausgabe-Neuronen wird repräsentiert durch die folgende Näherung:Artificial neural networks with radial basis functions show a more local modeling behavior than the MLPs and thus result in a better detection of outliers. A fully connected RBF network including direct connections (shortcut connections) between input and output neurons is represented by the following approximation:

M k(x) = f(ßk + ∑W Afl x -tj \,θj) + ∑w*,*,) Gleichung 5M k (x) = f (ß k + ∑W Afl x -t j \, θ j ) + ∑w *, *,) Equation 5

J=l =1 k=l,2...,KJ = l = 1 k = 1, 2 ..., K

mit:With:

I x / 1 = Euclidischer Distanz zwischen Eingabe- Vektor und den Zentren der RBFs h = BasisfunktionI x / 1 = Euclidean distance between the input vector and the centers of the RBFs h = basic function

Die radialen Basisfunktionen h werden werden auf die Distanz (meist euklidisch) zwischen dem Eingangs- Vektor und einem sogenannten Prototyp-VektorThe radial basis functions h are based on the distance (mostly Euclidean) between the input vector and a so-called prototype vector

(Gleichung 5) angewendet. Die Prototyp-Vektoren, die sogenannten Zentren, repräsentieren die verschiedenen Klassen im Trainingsset. Die häufigste Aktivie- rungsfunktion bei RBF- Anwendungen ist die Gauss-Funktion, mitfgauss -> 0 wenn |x| — • oo. Der letzte Term in Gleichung 5 berücksichtigt die direkten Verbindungen zwischen Eingabe- und Ausgabe-Neuronen.(Equation 5) applied. The prototype vectors, the so-called centers, represent the different classes in the training set. The most common activation The function in RBF applications is the Gauss function, with gauss -> 0 if | x | - • oo. The last term in Equation 5 takes into account the direct connections between input and output neurons.

Bevorzugt wird ein künstliches neuronales feed-forward Netz mit 3 Schichten, das eine Gradientenabstiegsmethode wie resililient propagation, backpropagation, Quick- prop und Varianten dieser Methoden als Lernalgorithmus verwendet.An artificial neural feed-forward network with 3 layers is preferred, which uses a gradient descent method such as resililient propagation, backpropagation, quick-prop and variants of these methods as a learning algorithm.

Vorzugsweise wird vor der Klassifizierung eine Vorverarbeitung der Spektren durch- geführt.Pre-processing of the spectra is preferably carried out before the classification.

Diese Vorverarbeitung kann in einer Wellenlängenselektion im Falle der Schwingungsspektren oder einer Feature-Selektion im Falle der Chromatogramme bestehen. Damit kann die Anzahl der Parameter für das Klassifikationsmodell reduziert werden und sich nur auf die optimalen spektralen Bereiche für die Klassifikation erstrecken.This preprocessing can consist of a wavelength selection in the case of the vibration spectra or a feature selection in the case of the chromatograms. The number of parameters for the classification model can thus be reduced and only extend to the optimal spectral ranges for the classification.

Redundante Informationen bzw. spektrale Bereiche oder Chromatogrammkompo- nenten ohne wesentliche Information können dadurch eliminiert werden, was die Qualität und Stabilität der Klassifikationsmodells verbessert.Redundant information or spectral ranges or chromatogram components without essential information can thereby be eliminated, which improves the quality and stability of the classification model.

Die Auswahl einer oder mehrerer Spektralbereiche kann durch die visuelle Inspektion der Spektren oder sinnvollerweise durch multivariate Verfahren zur Selektion spektraler Merkmale erfolgen. Als multivariate Verfahren werden insbesondere die Ko arianz- Analyse und die einfache univariate Varianzanalyse (Otto M., Chemo- metrie, VCH-Puplisher, Weinheim 1997) verwendet oder es werden genetische Algorithmen (Holland J.H., Adaption in Natural and Artificial Systems 2. AuflageThe selection of one or more spectral ranges can be done by visual inspection of the spectra or, sensibly, by multivariate methods for the selection of spectral features. The multivariate methods used are, in particular, the co ariancy analysis and the simple univariate analysis of variance (Otto M., chemometry, VCH-Puplisher, Weinheim 1997) or genetic algorithms (Holland J.H., Adaption in Natural and Artificial Systems 2nd edition

MIT Press, Boston, 1992) oder Diskriminanzverfahren (z.B. einem Distanzmaß, Diskrirninanzanalyse) verwendet.MIT Press, Boston, 1992) or discriminant methods (e.g. a distance measure, discriminant analysis).

Bei der Wellenlängen- oder Feature-Selektion durch multivariate Verfahren sind drei verschiedene Elemente zu berücksichtigen, das Auswahlkriterium, die Suchstrategie und die Abbruchbedingung. Als Auswahlkriterium können die Unterschiede zwischen den Klassen dienen. Mit statistischen Methoden wie Fehlerwahrscheinlichkeit, Distanz zwischen den Klassen (inter class distance), probabilistische Distanz (probabilistic distance), probabili- stische Abhängigkeit (probabilistic dependence) und Entropie können diese Unterschiede zwischen den Klassen analysiert werden. Es lassen sich daraus univariate und multivariate Auswahlkriterien ableiten. Ein univariates Auswahlkriterium ist der F- Wert, der das Verhältnis der Varianz zwischen und innerhalb der Klassen beschreibt. Die Suchstrategie bezieht sich auf ein Ranking der F-Werte. Als Abbruchbedingung kann die Ermittlung einer vorgegebenen Zahl von Wellenlängen mit den jeweils höchsten F- Werten dienen oder ein vorgegebener Schwellenwert für die F-Werte.When selecting wavelengths or features using multivariate methods, three different elements have to be taken into account: the selection criterion, the search strategy and the termination condition. The differences between the classes can serve as a selection criterion. These differences between the classes can be analyzed using statistical methods such as the probability of errors, distance between classes (inter-class distance), probabilistic distance (probabilistic distance), probabilistic dependence and entropy. Univariate and multivariate selection criteria can be derived from this. A univariate selection criterion is the F-value, which describes the ratio of the variance between and within the classes. The search strategy relates to a ranking of the F-values. The determination of a predetermined number of wavelengths with the highest F values in each case or a predetermined threshold value for the F values can serve as a termination condition.

Um das Problem der Interkorrelation von univariaten Methoden zu umgehen und die Zahl der Wellenlängen (Features) weiter zu reduzieren ohne an Unterscheidungskraft einzubüßen kann auch ein multivariater Ansatz gewählt werden wie die multipleIn order to avoid the problem of intercorrelation of univariate methods and to further reduce the number of wavelengths (features) without losing their distinctive character, a multivariate approach such as the multiple can also be chosen

Kovarianzanalyse.Analysis of covariance.

Das Prinzip bei der multiplen Kovarianzanalyse ist es iterativ alle nicht ausgewählten Wellenlängen (Features) mit bereits ausgewählten Wellenlängen (Features) zu ver- knüpfen und einen partiellen F-Wert zu berechnen. Die Wellenlänge mit der höchstenThe principle in multiple covariance analysis is to iteratively link all unselected wavelengths (features) with already selected wavelengths (features) and calculate a partial F-value. The wavelength with the highest

Einstufung wird in den Set der bereits ausgewählten Wellenlängen (Features) übernommen (die sogenannten Kontroll- Variablen) und entsprechend von dem Set der nicht ausgewählten Wellenlängen (Features) entnommen. Diese Prozedur wird solange wiederholt, bis die gewünschte Zahl an ausgewählten Wellenlängen (Features) erreicht ist oder das Maximum der berechneten F-Werte unter einen vorbestimmten Schwellenwert fallt.Classification is taken over in the set of the already selected wavelengths (features) (the so-called control variables) and accordingly taken from the set of the unselected wavelengths (features). This procedure is repeated until the desired number of selected wavelengths (features) has been reached or the maximum of the calculated F values falls below a predetermined threshold value.

Die Vorverarbeitung der Spektren kann auch in einer Datenreduktion bestehen z.B. durch Methoden der multivariaten Statistik oder die Transformation der Daten entweder mit Hilfe der Wavelet-Transformation oder durch Hauptkomponenten-The preprocessing of the spectra can also consist of data reduction e.g. by methods of multivariate statistics or the transformation of the data either with the help of the wavelet transformation or by main component

Zerlegung (z.B. Hauptkomponentenanalyse, Faktoranalyse). Vor der Vorverarbeitung kann auch noch ein Schritt der Aufbereitung der Schwingungsspektren vorgenommen werden. In Frage kommende Methoden sind etwa Berechnung der ersten oder zweiten Ableitung, Spektren-Dekonvolution oder andere Verfahren zu Erhöhung des spektralen Kontrastes, die eine Bandenerkennung erleichtern und eine Minimierung etwaiger vorliegender Basislinienprobleme gestatten.Disassembly (e.g. main component analysis, factor analysis). Before the preprocessing, a step of processing the vibration spectra can also be carried out. Possible methods are, for example, calculation of the first or second derivative, spectra deconvolution or other methods for increasing the spectral contrast, which facilitate band detection and permit minimization of any existing baseline problems.

Insgesamt erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Charakterisierung» Identi- fizierung oder Kennzeichnung einer mikrobiellen Mischung nach Erhalt desOverall, the method of the invention allows a characterization of "identity fying or labeling of a microbial mixture after receipt of

Spektrums/Chromatogramms innerhalb von Sekundenbruchteilen nach Erhalt der Probe mit herkömmlichen Personal Computern (z.B. Pentium III, 400 Mhz, 64 MB Arbeitsspeicher).Spectrum / chromatogram within fractions of a second after receipt of the sample with conventional personal computers (e.g. Pentium III, 400 Mhz, 64 MB RAM).

Das Verfahren lässt sich sehr gut in einen Routineprozess integrieren, da Spektrenaufnahme und Spektrenverarbeitung bzw. die Chromatographie und die nachfolgende Klassifizierung vollständig computergesteuert erfolgen und sich sehr leicht automatisieren lassen. Ein geringer Personalbedarf besteht infolge dessen lediglich für die an sich einfache Probenvorbereitung.The method can be integrated very well into a routine process, since spectra recording and processing or the chromatography and the subsequent classification are completely computer-controlled and can be automated very easily. As a result, there is little need for personnel only for the simple sample preparation.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ohne Einbeziehung hochspezialisierter Fachleute durchgeführt werden, da die Klassifizierung der IR-Spektren/GC-Chromato- grarnme durch die für die Zwecke optimierte Verfahren der computergestützten Mustererkennung erfolgen. Die Bewertung anhand streng mathematischer Kriterien führt gleichzeitig zu einer hohen Sicherheit bei der Klassifizierung, und kommt ohne subjektives Erfahrungswissen aus. Figuren und BeispieleThe method according to the invention can be carried out without the involvement of highly specialized experts, since the IR spectra / GC chromatograms are classified by the computer-aided pattern recognition methods optimized for the purpose. The evaluation based on strictly mathematical criteria simultaneously leads to a high level of certainty in the classification and does not require subjective experience. Figures and examples

Es zeigenShow it

Fig. 1 : FT-IR Apsorptionsspektrum von Aviguard® Fig. 2: 1. Ableitung des Absoptionsspektrum von Aviguard®Fig. 1: FT-IR absorption spectrum from Aviguard® Fig. 2: 1. Derivation of the absorption spectrum from Aviguard®

Fig. 3: Schematische Darstellung eine künstlichen neuronalen Netzes mit 33: Schematic representation of an artificial neural network with 3

Schichten Fig. 4: Schematische Darstellung eines Neurons z.B. aus der versteckten Schicht Fig. 5: Klassifizierung mittels RBF-Netzen mit lokalen Kernel-Funktionen (a.) und mit MLPs mit Hyperebenen (b .) Layers Fig. 4: Schematic representation of a neuron, for example from the hidden layer Fig. 5: Classification using RBF networks with local kernel functions (a.) And with MLPs with hyperplanes (b.)

Beispielexample

FT-IR Spektroskopie der Bakterienmischung Aviguard®FT-IR spectroscopy of the Aviguard® bacterial mixture

Beispielhaft wurde eine Charakterisierung des Produkts Aviguard® mit der erfindungsgemäßen Methode vorgenommen.The Aviguard® product was characterized using the method according to the invention as an example.

Aviguard® ist ein Produkt, das durch industrielle Fermentation hergestellt wird und aus einem breiten Spektrum von aeroben und anaeroben Bakterien besteht. Es wurde der Bakterienmischung im Darm von gesunden erwachsenen Hühnern nachgebildet.Aviguard® is a product that is produced by industrial fermentation and consists of a wide range of aerobic and anaerobic bacteria. The bacterial mixture in the intestine of healthy adult chickens was simulated.

Basierend auf FT-IR Spektren von Aviguard® wurde ein IQässifizierungsschema erstellt, das der Klassifizierung als „pass" oder „fail" entsprechend dem in-vivo Qualitätstest einer Produkt-Charge aus dem Herstellungsprozess von Aviguard® entspricht. Dieser Qualitätstest misst die Wirksamkeit von Aviguard® bei der Reduktion der Darmbesiedlung durch Salmonellen bei jungen Hühnern.Based on FT-IR spectra from Aviguard®, an IQassification scheme was created that corresponds to the classification as “pass” or “fail” according to the in-vivo quality test of a product batch from the Aviguard® manufacturing process. This quality test measures the effectiveness of Aviguard® in reducing colonization by Salmonella in young chickens.

Die FT-IR Spektren von Aviguard®-Proben aus einem standardisierten Fermen- tations-Prozess wurden verglichen mit FT-IR Spektren von Proben, die denselben Fermentations-Prozess nicht erfolgreich durchlaufen hatten. Mit Mitteln der Chemo- metrie und Mustererkennung wurden die Unterschiede in den Spektren zwischen diesen beiden Gruppen extrahiert und für die Klassifizierung benutzt.The FT-IR spectra of Aviguard® samples from a standardized fermentation process were compared with FT-IR spectra of samples that had not successfully gone through the same fermentation process. The differences in the spectra between these two groups were extracted and used for classification by means of chemometry and pattern recognition.

Die FT-IR Spektren von Aviguard® wurden mit einem Bruker JJFS 28B Spektro- meter mit einem ZnSe Probenhalter mit 15 Probenpositionen aufgenommen. Die Spektren wurden mit einem DTGS-Detektor und 64 Scans im Wellenlängenbereich von 4000 - 500 cm"1 aufgezeichnt. Die Fourier-Transformation wurde mit einer Blackman-Harris 3-Term Apodisations-Funktion (apodization function), einem zero- filling Faktor von 4 zur Erreichung einer spektralen Auflösung von 6 cm"1 und einem Datenpunktintervall von etwa 1 Punkt pro Wellenzahl durchgeführt. Das Spektro- meter wurde während der Aufnahmen mit 500-1000 1/h trockener Luft mit Hilfe eines Lufttrockners geflutet, um so Artefakte durch Wasserdampflinien zu minimieren. Der Wasserdampfgehalt wurde während der Aufnahme der Spektren im Bereich von 1837 bis 1847 cm"1 gemessen und betrug nicht mehr als 0,0003 AU. Das Signal-zu Rausch- Verhältnis betrug nicht mehr als 0,0003 von Peak zu Peak im Bereich von 2000 bis 2100 cm"1. Ein Test zur Qualitätskontrolle der gemessenen FT- IR Spektren wurde auf die Spektren angewendet mit Schwellenwerten für minimaleThe FT-IR spectra from Aviguard® were recorded with a Bruker JJFS 28B spectrometer with a ZnSe sample holder with 15 sample positions. The spectra were recorded with a DTGS detector and 64 scans in the wavelength range from 4000 to 500 cm "1. The Fourier transformation was carried out with a Blackman-Harris 3-term apodization function (apodization function), a zero-filling factor of 4 to achieve a spectral resolution of 6 cm "1 and a data point interval of approximately 1 point per wavenumber. The spectrometer was flooded with 500-1000 1 / h of dry air with the help of an air dryer during the recordings in order to avoid artefacts caused by steam lines minimize. The water vapor content was measured during the recording of the spectra in the range from 1837 to 1847 cm "1 and was not more than 0.0003 AU. The signal-to-noise ratio was not more than 0.0003 from peak to peak in the range from 2000 up to 2100 cm "1 . A quality control test of the measured FT-IR spectra was applied to the spectra with minimum thresholds

Absorption (0.3245 AU) und maximale Absorption (1.24 AU) um den Linearitäts- bereich des Detektors zu bestimmen. Vor jeder Messung an einer Probe wurde ein Hintergrundspektrum aufgenommen, um so den Hintergrund zu kompensieren. Zu jeder Probe wurden 7 unabhängige Messungen durchgeführt, um Varianzen von Messung zu Messung für jede Probe mit aufzunehmen.Absorption (0.3245 AU) and maximum absorption (1.24 AU) to determine the linearity range of the detector. A background spectrum was recorded before each measurement on a sample in order to compensate for the background. 7 independent measurements were made for each sample to include measurement-to-measurement variances for each sample.

Ein Spektrum von Aviguard® ist beispielhaft in Fig. 1 dargestellt.A spectrum of Aviguard® is shown as an example in Fig. 1.

Die biochemischen Bestandteile von Aviguard® können 5 breiten IR-Absorptions- bändern zugeordnet werden: 1 - 3000-2800 cm"1 Fettsäurebereich, 2- 1700-1500 cm"1 The biochemical components of Aviguard® can be assigned to 5 broad IR absorption bands: 1 - 3000-2800 cm "1 fatty acid range, 2- 1700-1500 cm " 1

Proteinbereich, 3 - 1450-1200 cm"1 Mischbereich mit Carboxyl-Gruppen von Proteinen, freien Aminosäuren und Polysacchiariden (1450-1400 cm"1) und RNA/DNA und Phospholopid-Gehalt (1250-1200 cm"1), 4 - 1200-900 cm"1 Poly- saccharide, 5 - 900-700 cm"1 finge rint-Bereich mit signifikantem Beitrag zur spezi- fischen Unterscheidung.Protein range, 3 - 1450-1200 cm "1 mixing range with carboxyl groups of proteins, free amino acids and polysacchiarids (1450-1400 cm " 1 ) and RNA / DNA and phospholopid content (1250-1200 cm "1 ), 4 - 1200 -900 cm "1 polysaccharides, 5 - 900-700 cm " 1 finger area with significant contribution to the specific distinction.

In einem ersten Verarbeitungsschritt wurde die erste Ableitung der aufgenommenen Spektren mit einem Savitzky-Golay Algorithmus mit 9-Punkten (A. Savitzky, M.J. Golay, Anal. Chem. 36:1627-1638, 1964) berechnet und dann mit einer Vektor- Transformation über den gesamten aufgenommenen spektralen Bereich normalisiert.In a first processing step, the first derivative of the recorded spectra was calculated with a Savitzky-Golay algorithm with 9 points (A. Savitzky, MJ Golay, Anal. Chem. 36: 1627-1638, 1964) and then with a vector transformation normalized the entire recorded spectral range.

Fig. 2 zeigt die 1. Ableitung des Absorptionsspektrums aus Fig. 1 über den gesamten Wellenlängenbereich von 4000-500 cm"1.FIG. 2 shows the first derivative of the absorption spectrum from FIG. 1 over the entire wavelength range of 4000-500 cm "1 .

Die Spektren der Proben von Aviguard® wurden jeweils einer von zwei Klassen zugeordnet, nämlich den Klassen „passed" und „failed". Basierend auf dieser Zuord- nung wurde ein Vergleich zwischen den Spektren in den beiden Klassen vorgenommen, um die Varianzen der Spektren innerhalb der Klassen und zwischen den Klassen zu ermitteln (Wellenlängenselektion). Dabei wurden Prozeduren verwendet, die die Varianzen von Spektren innerhalb einer Klasse minimieren und zwischen den Klassen maximieren. Diese Prozedur wurde Datenpunkt für Datenpunkt über den gesamten gemessenen spektralen Bereich durchgeführt. Die sich ergebenden spektralen Features mit maximaler Unterscheidungskraft zwischen den Spektren der beiden Klassen wurden dann für die Klassifikation verwendet.The spectra of the Aviguard® samples were each assigned to one of two classes, namely the classes "passed" and "failed". Based on this assignment A comparison was made between the spectra in the two classes in order to determine the variances of the spectra within the classes and between the classes (wavelength selection). Procedures were used to minimize the variance of spectra within a class and to maximize it between classes. This procedure was carried out data point by data point over the entire measured spectral range. The resulting spectral features with maximum distinctive character between the spectra of the two classes were then used for the classification.

Die verwendete Methode bei dieser Wellenlängenselektion war die Kovarianzanalyse.The method used for this wavelength selection was the covariance analysis.

Als künstliches neuronales Netz zur Klassifikation wurde ein 3 -Lagen MLP bestehend aus einer Eingabeschicht (input layer), einer verdeckten Schicht (hidden layer) und einer Ausgabeschicht (output layer), die untereinander vollständig verbunden waren, inklusive direkten Verbindungen zwischen Eingabe- und Ausgabeneuron, verwendet. Als Transferfunktionen wurden sigmoide Transferfunktionen, sowohl in der verdeckten Schicht als auch auf den Ausgabeschicht verwendet.A 3-layer MLP consisting of an input layer, a hidden layer and an output layer, which were completely connected to each other, including direct connections between the input and output neurons, was used as an artificial neural network for classification , used. Sigmoid transfer functions were used as transfer functions, both in the hidden layer and on the output layer.

Als Trainingsmethode für das künstliche neuronale Netz wurde eine Modifikation der Gradientenabstiegsmethode (Rumelhart D. und McClelland J.L, Parallel Distri- buted Processing: Exploration in the Microstructure of Cognition Vol. 1,2, Cambridge, MA, MIT Press 1986), die als "Resilient Propagation" (Rprop) bezeichnet wurde (Riedmiller M. und Braun H. RPROP. a fast an robust back- propagation learning strategy. Proceedings of the IEEE International Conference onAs a training method for the artificial neural network, a modification of the gradient descent method (Rumelhart D. and McClelland JL, Parallel Distributed Processing: Exploration in the Microstructure of Cognition Vol. 1,2, Cambridge, MA, MIT Press 1986) was called " Resilient Propagation "(Rprop) (Riedmiller M. and Braun H. RPROP. A almost an robust back-propagation learning strategy. Proceedings of the IEEE International Conference on

Neural Networks (ICNN) San Francisco 1993, p. 586-591) verwendet. Die Justierung der Gewichte erfolgte während des Trainings nicht nach dem Gradienten der Fehlerfunktion, sondern nach dem Vorzeichen dieses Gradienten. Dabei wurden die Steigungen der Fehlerfunktion des aktuellen und des vorherigen Zeitpunktes verwendet. Der Betrag der Gewichtsänderung hing also nicht vom Betrag derNeural Networks (ICNN) San Francisco 1993, p. 586-591) is used. The weights were not adjusted during the training according to the gradient of the error function, but according to the sign of this gradient. The slopes of the error function of the current and the previous point in time were used. The amount of weight change did not depend on the amount of

Steigung, sondern nur von ihrem Vorzeichen ab. Waren die Vorzeichen gleich, so konnte der Betrag erhöht werden, waren die Vorzeichen unterschiedlich, so wurde der Betrag verringert. Vorteil des Verfahrens bei RPROP ist, das es anderen Verfahren in der Trainingszeit überlegen ist und gute Generalisierungseigenschaften aufweist.Slope, but only on its sign. If the signs were the same, so if the amount could be increased, the signs were different, the amount was reduced. The advantage of the process at RPROP is that it is superior to other processes in training time and has good generalization properties.

Für die Beschreibung der Klassen wurde im Ausgabevektor des künstlichen neuronalen Netzes eine 1-aus-n-Kodierung benutzt, wobei jede Klasse durch eine Ausgäbeeinheit repräsentiert wurde. Genau eine Position des Ausgabevektors war mit „1" kodiert (korrespondierend zu der Position der Klasse der das Eingabe-Pattern zugeordnet wurde), und alle anderen Positionen waren mit „0" kodiert.For the description of the classes, a 1-out-of-n coding was used in the output vector of the artificial neural network, with each class being represented by an output unit. Exactly one position of the output vector was coded with "1" (corresponding to the position of the class to which the input pattern was assigned), and all other positions were coded with "0".

Die Ergebnisse der Klassifizierung durch das trainierte neuronale Netz wurden dann mit einem Analyse- Werkzeug durch die Funktionen „winner takes all" (WTA) und „402040" evaluiert. Die WTA Funktion akzeptiert ein Ausgabe-pattern zu Klassifizierung, wenn ein Ausgabe-Neuron höher aktiviert ist, als die anderen. DieThe results of the classification by the trained neural network were then evaluated using an analysis tool using the functions “winner takes all” (WTA) and “402040”. The WTA function accepts an output pattern for classification if one output neuron is activated higher than the others. The

402040 Regel verlangt, dass bei einem möglichen Ausgabe-Bereich von 0 bis 1 die Aktivierung eines Ausgabe-Neurons größer als 0,6 ist (die oberen 40 % des Ausgabe- Bereichs), wobei die anderen Ausgabe-Neuronen weniger als 0,4 (die unteren 40 % des Ausgabe-Bereichs) sind. Die Ausgabe-Pattern bleiben in allen anderen Fällen unklassifiziert. Beide Methoden wurden zur Beschreibung des Ergebnisses herangezogen, wobei die 402040-Regel das strengere Kriterium der Ergebnis- bewertung darstellt.402040 rule requires that with a possible output range from 0 to 1, the activation of one output neuron is greater than 0.6 (the upper 40% of the output range), with the other output neurons less than 0.4 ( the lower 40% of the output range). The output patterns remain unclassified in all other cases. Both methods were used to describe the result, with the 402040 rule being the stricter criterion for evaluating the result.

Der Datensatz bestand aus 10 Proben die als "failed" gekennzeichnet wurden und 26 Aviguard® Proben die als "passed" gekennzeichnet wurden. Jede Probe bestand ausThe data set consisted of 10 samples marked "failed" and 26 Aviguard® samples marked "passed". Each sample consisted of

7 Wiederholungsmessungen, so dass sich entsprechend 70 FT-LR Spektren "failed" und 182 FT-IR Spektren "passed" ergeben. Die Validierung wurde anhand einer Kreuzvalidierung auf Basis der leave-one-out Methode (k=l) vorgenommen, um Güte, Stabilität und Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu prüfen. Das Ergebnis der Klassifikation mit einer 3-Lagen MLP mit Kreuzvalidierung (k=l) und 5 Eingangswellenlängen nach der Wellenlängenselektion ergab 86,82 % richtig zugeordnete Spektren, keine falsch zugeordneten Spektren und 13,18 % nicht zuordenbare Spektren. Der Fehler, als mittleres Fehlerquadrat (SSE) auf die Validierung bezogen betrug 13,77 bei der "402040"- Validierungsmethode. Bei der "WTA" -Validierungsmethode ergaben sich 92,25% richtig zugeordnete Spektren, 7,75 % falsch zugeordnete Spektren und keine nicht zuordenbare Spektren bei einem mittleren Fehlerquadrat (SSE) von 13,77. 7 repeat measurements, so that 70 FT-LR spectra "failed" and 182 FT-IR spectra "passed" result. The validation was carried out using a cross-validation based on the leave-one-out method (k = 1) in order to check the quality, stability and robustness of the method according to the invention. The result of the classification with a 3-layer MLP with cross validation (k = l) and 5 input wavelengths after the wavelength selection resulted in 86.82% correctly assigned spectra, no incorrectly assigned spectra and 13.18% unassignable spectra. The error, as the mean square of error (SSE) related to the validation, was 13.77 for the "402040" validation method. The "WTA" validation method resulted in 92.25% correctly assigned spectra, 7.75% incorrectly assigned spectra and no unassignable spectra with a mean square of error (SSE) of 13.77.

Claims

Patentansprtiche Patentansprtiche 1. Verfahren zur Charakterisierung, Identifizierung oder Kennzeichnung von mikrobiellen Mischungen, dadurch gekennzeichnet, dass1. A method for characterizing, identifying or labeling microbial mixtures, characterized in that a. Spektren/Chromatogramme der mikrobiellen Mischung aufgenommen werden, b. eine Referenzdatenbank, die in zwei oder mehrere vorgegebene Klassen klassifizierte Spektren/Chromatogramme von mikrobiellen Mischungen enthält, bereitgestellt wird, c. die Spektren/Chromatogramme der mikrobiellen Mischung nach Vergleich mit den Spektren/Chromatogrammen der Referenzdatenbank einer von zwei oder mehreren vorgegebenen Klassen zugeordnet werden.a. Spectra / chromatograms of the microbial mixture are recorded, b. a reference database is provided which contains spectra / chromatograms of microbial mixtures classified into two or more predetermined classes, c. the spectra / chromatograms of the microbial mixture are assigned to one of two or more predetermined classes after comparison with the spectra / chromatograms of the reference database. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektren/Chromatogramme vor dem Schritt c. in einem Schritt b2. vorverarbeitet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the spectra / chromatograms before step c. in a step b2. be preprocessed. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitung der Spektren/Chromatogramme in einer Datenreduktion besteht.3. The method according to claim 2, characterized in that the preprocessing of the spectra / chromatograms consists in a data reduction. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitung der Spektren/Chromatogramme in einer Wellenlängenselektion im Falle der Spektren oder einer Feature-Selektion im Falle der Chromato- gramme besteht.4. The method according to claim 2, characterized in that the preprocessing of the spectra / chromatograms consists in a wavelength selection in the case of the spectra or a feature selection in the case of the chromatograms. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorverarbeitung der Spektren/Chromatogramme in einer Datenreduktion und einer daran anschließenden Wellenlängenselektion im Falle der Spektren oder5. The method according to claim 2, characterized in that the preprocessing of the spectra / chromatograms in a data reduction and a subsequent wavelength selection in the case of the spectra or Feature-Selektion im Falle der Chromatogramme besteht. Feature selection in the case of chromatograms exists. 6. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektren/Chromatogramme vor dem Schritt c. oder gegebenenfalls vor dem Schritt b2. in einem Schritt bl. aufbereitet werden und diese Aufbereitung in der Bildung der ersten oder zweiten Ableitung, einer Spektren-Dekonvolution oder einem anderen Verfahren zu Erhöhung des spektralen Kontrastes liegt.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the spectra / chromatograms before step c. or possibly before step b2. in one step bl. be processed and this processing is in the formation of the first or second derivative, a spectral deconvolution or another method to increase the spectral contrast. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdatenbank in Form von Spektren/Chromatogrammen . oder in Form von neuronalen Gewichten eines neuronalen Netzes vorliegt.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the reference database in the form of spectra / chromatograms. or in the form of neural weights of a neural network. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klassifizierung durch Mustererkennung, vorzugsweise mittels künstlicher neuronaler Netze, Methoden des maschinellen Lernens, Algorithmen der multivariaten Statistik, fallbasiertes Klassifizieren, genetische Algorithmen oder evolutionäres Programmieren erfolgt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the classification by pattern recognition, preferably by means of artificial neural networks, methods of machine learning, algorithms of multivariate statistics, case-based classification, genetic algorithms or evolutionary programming. 9. Verfahren Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Algorithmen der multivariaten Statistik in einer Diskriminaznalyse, Clusteranalyse, Distanz- maße oder Multiplen Regression oder Kombinationen hieraus bestehen.9. The method of claim 8, characterized in that the algorithms of the multivariate statistics consist in a discrimination analysis, cluster analysis, distance measurements or multiple regression or combinations thereof. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als künstliches neuronales Netz ein feed-forward-Netz mit 3 -Lagen mit einer Gradientenabstiegsmethode als Lernalgorithmus oder ein künstliches neuronales Netz auf Basis radialer Basisfunktionen verwendet wird.10. The method according to claim 8, characterized in that a feed-forward network with 3 layers with a gradient descent method as a learning algorithm or an artificial neural network based on radial basic functions is used as the artificial neural network. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Lernalgorithmus resililient propagation (RProp), backpropagation, Quickprop und Varianten dieser Methoden verwendet werden. 11. The method according to claim 10, characterized in that resililient propagation (RProp), backpropagation, quickprop and variants of these methods are used as the learning algorithm. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängenselektion im Falle der Spektren oder Feature-Selektion im Falle der Chromatogramme mit genetischen Algorithmen, der Kovarianzanalyse, der einfachen univariaten Varianzanalyse, einem statistischen Distanzmaß oder Diskriminanzverfahren erfolgt.12. The method according to any one of claims 4 to 11, characterized in that the wavelength selection in the case of spectra or feature selection in the case of chromatograms with genetic algorithms, covariance analysis, simple univariate analysis of variance, a statistical distance measure or discriminant method. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängenselektion im Falle der Spektren oder Featureselektion im Falle der Chromatogramme visuell erfolgt.13. The method according to any one of claims 4 to 11, characterized in that the wavelength selection in the case of spectra or feature selection in the case of chromatograms takes place visually. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenreduktion durch Methoden der multivariaten Statistik oder die Transformation der Daten mit Hilfe der Wavelet-Transformation wie die Hauptkomponenten-Zerlegung (z.B. Hauptkomponentenanalyse, Faktor- analyse) erfolgt.14. The method according to any one of claims 3, 5 to 13, characterized in that the data reduction by methods of multivariate statistics or the transformation of the data using the wavelet transformation such as the main component decomposition (e.g. main component analysis, factor analysis). 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den mikrobiellen Mischungen um Bakterienmischungen oder Mischungen von Hefen oder Pilzen oder allen drei Gruppen handelt.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the microbial mixtures are bacterial mixtures or mixtures of yeasts or fungi or all three groups. 16. " Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Spektren um IR, FT-IR, Raman- oder FT-Raman Spektren handelt und die Chromatogramme durch die Gaschromatographie (GC), oder durch Kopplung von GC mit der Massenspektroskopie (GC/MS) erstellt werden.16. "The method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the spectra are IR, FT-IR, Raman or FT-Raman spectra and the chromatograms by gas chromatography (GC), or by coupling GC can be created with mass spectroscopy (GC / MS). 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum ein in einer oder mehreren Regionen des mittleren Infrarotbereiches von 500 cm"1 bis 4000 cm"1 oder des nahen Infrarotbereiches von 1000 cm"1 bis 4000 cm"1 oder in beiden Regionen gemessen wird. 17. The method according to any one of claims 1 to 16, characterized in that the spectrum in one or more regions of the middle infrared range from 500 cm "1 to 4000 cm " 1 or the near infrared range from 1000 cm "1 to 4000 cm " 1 or measured in both regions.
PCT/EP2001/011517 2000-10-18 2001-10-05 Method for characterizing, identifying and designating microbial mixtures by comparing ir, ft-ir, raman, ft-raman and gc analysis data with data from a reference database Ceased WO2002033400A1 (en)

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