Omatehtud Jenga plokkspektrofotomeeter vetikakatsete jaoks: 15 sammu

2025 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2025-01-23 14:40

Vetikad on fotosünteesivad protistid ja sellisena on nad vee toiduahelates kriitilised organismid. Kevad- ja suvekuudel võivad need ja teised mikroorganismid aga paljuneda ja üle koormata looduslikke veevarusid, mille tulemuseks on hapnikupuudus ja toksiliste ainete teke. Nende organismide kasvukiiruse mõistmine võib olla kasulik nii veevarude kaitsmisel kui ka nende võimsust kasutavate tehnoloogiate väljatöötamisel. Lisaks võib nende organismide deaktiveerimise kiiruse mõistmine olla kasulik vee ja reovee puhastamisel. Selles uurimises püüan ehitada odava spektrofotomeetri, et analüüsida kloorivalgendiga kokkupuutuvate organismide lagunemiskiirust vees, mis on võetud Park Creekist Horshamist Pennsylvanias. Kohalt kogutud ojavee proov väetatakse toitainete seguga ja jäetakse vetikate kasvu soodustamiseks päikesevalguse kätte. Omatehtud spektrofotomeeter laseb diskreetsetel lainepikkustel valgusel läbida proovi viaali, enne kui see avastatakse Arduino ahelaga ühendatud fototakisti abil. Kui organismide tihedus proovis suureneb, eeldatakse, et proovist neeldunud valguse hulk suureneb. See harjutus rõhutab elektroonika, optika, bioloogia, ökoloogia ja matemaatika mõisteid.

Olen oma spektrofotomeetri idee välja töötanud Satchelfrost'i juhitavast „Üliõpilaste spektrofotomeetrist” ja Daniel R. Alberti, Michael A. Todti ja H. Floyd Davise paberist „A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer”.

Samm: looge oma valgusraami raam

Selle juhendi esimene samm on luua valgusraam kuuest Jenga plokist ja lindist. Valgusraja raami kasutatakse valgusallika, suurendusseadme ja CD difraktsioonivõre paigutamiseks ja toetamiseks. Looge kaks pikka riba, kleepides kolm Jenga plokki joonele, nagu on näidatud esimesel pildil. Kleepige need ribad kokku, nagu on näidatud teisel fotol.

Samm: looge suurendusseadme alus ja kinnitage see valgusraami külge

Suurendusseade kinnitatakse valgustee raamile ja koondab LED -i poolt eraldatava valguse enne CD -lt hajumist. Kleepige kaks Jenga plokki kokku nii, et ühe ploki keskosa on teise ploki otsa suhtes täisnurga all, nagu on näidatud esimesel pildil. Kinnitage suurendusseade selle aluse külge, kasutades linti, nagu on näidatud kolmandal pildil. Kasutasin väikest odavat suurendusklaasi, mis on mul juba mitu aastat olnud. Pärast suurendusseadme selle alusele kinnitamist teipisin suurendusseadme valgusraami külge. Paigutasin oma suurendusseadme valgusraami servast 13,5 cm kaugusele, kuid peate võib -olla oma seadme erinevasse asendisse kinnitama, sõltuvalt suurendusklaasi fookuskaugusest.

3. samm: looge oma valgusallikas

Et piirata mittekontsentreeritud valguse hulka, mis võib CD-difraktsioonivõre ja fototakisti juurde jõuda, kinnitasin elektrilindiga valge LED-pirni musta pliiatsi korgi sisse, mille ülaosas oli väike auk. Esimene pilt näitab LED-i, teine pilt näitab teibitud LED-pliiatsi korki. Kasutasin väikesi elektrilindi tükke, et vältida valguse paistmist LED -i tagaküljelt, kus on anood- ja katoodijuhtmed.

Pärast LED-pliiatsi korgi loomist kinnitasin LED-i 220-oomise takisti ja toiteallika külge. Ühendasin LED -i Arduino Uno mikrokontrolleri 5V ja maandusühendustega, kuid kasutada sai mis tahes välist alalisvooluallikat. Takisti on oluline, et vältida LED -tule põlemist.

Samm: kinnitage valgusallikas valgusraami külge

Valgusallika jaoks platvormi pakkimiseks kleepige teine Jenga plokk valgusraja otsa lähedale. Minu seadistuses paigutati valgusallikat toetav Jenga plokk valgusraami servast umbes 4 cm kaugusele. Nagu on näidatud teisel pildil, on valgusallika õige paigutus selline, et valgusvihk keskendub läbi suurendusseadme valgusraami vastassuunas, kus asub CD difraktsioonivõre.

5. samm: asetage valgusraam, suurendusseade ja valgusallikas failikasti korpusesse

Spektrofotomeetri kõigi komponentide hoidmiseks kasutage ümbrisena viilikarpi või muud suletavat anumat läbipaistmatute külgedega. Nagu joonisel näidatud, kasutasin lindi abil valgustee raami, suurendusseadet ja valgusallikat failikarbi korpuses. Kasutasin ühte Jenga plokki, et valgustee raam paigutada umbes 2,5 cm kaugusele viilikarbi siseseina servast (Jenga plokki kasutati ainult vahekauguseks ja see eemaldati hiljem).

6. samm: lõigake ja asetage CD difraktsioonivõre

Lõigake harrastusnuga või -kääridega CD helkurpinna ja umbes 2,5 cm pikkuste külgedega ruudukujuliseks. CD kinnitamiseks Jenga ploki külge kasutage linti. Mängige Jenga ploki ja CD difraktsioonivõre positsioneerimisega nii, et see paigutaks vikerkaare failikarbi korpuse vastasseinale, kui LED -valgusallikas seda tabab. Lisatud pildid näitavad, kuidas ma need komponendid paigutasin. On oluline, et projitseeritud vikerkaar oleks suhteliselt tasane, nagu on näidatud viimasel pildil. Joonlaud ja pliiatsijoonistus failikarbi seina siseküljel võivad aidata kindlaks teha, millal projektsioon on tasane.

Samm: looge proovihoidja

Printige lisatud dokument ja kleepige või kleepige paber papitükile. Papi lõikamiseks ristikujuliseks kasutage kääride või harrastusnuga. Skoorige papp mööda trükitud jooni risti keskel. Lisaks lõigake papist risti kahe haru keskele võrdsel kõrgusel väikesed pilud, nagu näidatud; need pilud võimaldavad diskreetsetel valguse lainepikkustel läbida proovi fototakisti. Pappi tugevamaks muutmiseks kasutasin teipi. Voldi papp mööda hindeid ja lindista see nii, et moodustuks ristkülikukujuline proovihoidik. Proovihoidik peaks tihedalt mahtuma klaasist katseklaasi ümber.

8. samm: looge ja kinnitage proovihoidja alus

Kleepige kokku kolm Jenga plokki ja kinnitage komplekt näidisehoidja külge, nagu näidatud. Veenduge, et kinnitus oleks piisavalt tugev, et papist proovihoidik ei eralduks katseklaasi proovihoidikust välja tõmmates Jenga ploki alusest.

9. samm: lisage fototakisti proovihoidikusse

Fototakistid on valgusjuhtivad ja vähendavad valguse intensiivsuse kasvades tekkivat takistust. Teipisin fototakisti väikese puidust korpusega, kuid korpus pole vajalik. Kinnitage tagumine fototakisti teip nii, et selle tundlik külg oleks otse proovipesa lõigatud pilu vastu. Proovige paigutada fototakisti nii, et pärast proovi ja proovihoidiku pilude läbimist valgustaks seda võimalikult palju valgust.

Samm: ühendage fototakisti juhtmega

Fototakisti ühendamiseks Arduino vooluringis lõikasin esmalt lahti ja eemaldasin vana USB -printeri kaabli juhtmed. Teipisin kolm plokki kokku, nagu näidatud, ja seejärel kinnitasin kooritud juhtmed selle aluse külge. Kasutades kahte põkkliidest, ühendasin USB -printeri kaabli juhtmed fototakisti klemmidega ja teipisin alused kokku, moodustades ühe ühiku (nagu on näidatud neljandal pildil). Printerikaabli juhtmete asemel võib kasutada mis tahes pikki juhtmeid.

Ühendage üks fototakist väljuv juhe Arduino 5V väljundvõimsusega. Ühendage teine fotoresistori juhe juhtmega, mis viib ühe Arduino analoogi juurde. Seejärel lisage paralleelselt 10 kilo oomi takisti ja ühendage takisti Arduino maaühendusega. Viimane joonis näitab kontseptuaalselt, kuidas neid ühendusi luua saab (krediit circuit.io -le).

Samm: ühendage kõik komponendid Arduinoga

Ühendage arvuti Arduinoga ja laadige sellele lisatud kood üles. Kui olete koodi alla laadinud, saate seda vastavalt oma vajadustele ja eelistustele kohandada. Praegu võtab Arduino iga käivitamisel 125 mõõtmist (see mõõdab ka neid mõõtmisi lõpus) ja selle analoog signaalis viib A2 -ni. Koodi ülaosas saate muuta oma proovi nime ja proovi kuupäeva. Tulemuste vaatamiseks vajutage Arduino töölaua liidese paremas ülanurgas olevat jadamonitori nuppu.

Kuigi see on natuke segane, näete, kuidas ma lõpuks ühendasin Arduino ahela iga komponendi. Ma kasutasin kahte leivaplaati, kuid saate hõlpsalt hakkama ainult ühega. Lisaks on minu LED -valgusallikas ühendatud Arduinoga, kuid soovi korral võite selle jaoks kasutada muud toiteallikat.

12. samm: asetage proovihoidik failikarbi korpusesse

Koduse spektrofotomeetri loomise viimane etapp on proovipesa asetamine failikarbi korpusesse. Lõikasin failikasti väikese pilu, et fototakisti juhtmed läbi lasta. Ma käsitlesin seda viimast sammu pigem kunsti kui teadusena, kuna süsteemi iga komponendi eelnev paigutamine mõjutab proovihoidja asetust failikarbi korpuses. Asetage proovihoidik nii, et oleks võimalik joondada proovipesa pilu individuaalse valguse värviga. Näiteks võite paigutada Arduino nii, et oranž valgus ja roheline tuli ulatuvad pilu mõlemale poole, samal ajal kui ainult kollane valgus läbib pilu fototakisti. Kui olete leidnud koha, kus proovihoidiku pilu läbib ainult üks värvivalgusti, liigutage proovihoidikut külgsuunas, et tuvastada üksteise värvi jaoks sobivad kohad (pidage meeles, ROYGBV). Joonistage pliiatsiga sirged jooned piki failikarbi korpuse põhja, et märkida kohad, kus fototakistini pääseb ainult üks värvivalgus. Teipisin proovihoidja ees ja taga kaks Jenga plokki, et veenduda, et ma näitude võtmisel nendest märgistustest kõrvale ei kaldunud.

13. samm: katsetage omatehtud spektrofotomeetrit - looge spekter

Tegin omatehtud spektrofotomeetriga mitmeid katseid. Keskkonnainsenerina olen huvitatud veekvaliteedist ja võtsin oma maja juures olevast väikesest ojast veeproove. Proovide võtmisel on oluline, et kasutate puhast anumat ja proovide võtmise ajal seisate konteineri taga. Proovi taga seismine (st kogumispunktist allavoolu) aitab vältida teie proovi saastumist ja vähendab teie aktiivsust voolus, mis mõjutab proovi. Ühes proovis (proov A) lisasin väikese koguse Miracle-Gro (toataimedele sobiv kogus, arvestades minu proovimahtu) ja teise proovi puhul ei lisanud ma midagi (proov B). Jätsin need proovid istuma hästi valgustatud ruumi ilma kaaneta, et võimaldada fotosünteesi (hoides kaaned gaasivahetuseks lubatud). Nagu näete, on piltidel Miracle-Gro-ga täiendatud proov roheliste platooniliste vetikatega küllastunud, samas kui Miracle-Gro-ga proovis ei täheldatud märkimisväärset kasvu umbes 15 päeva pärast. Pärast seda, kui see oli vetikatega küllastunud, lahjendasin osa proovist A 50 ml koonilistes tuubides ja jätsin need samasse hästi valgustatud ruumi ilma kaaneta. Umbes 5 päeva hiljem olid nende värvuses juba märgatavad erinevused, mis viitavad vetikate kasvule. Pange tähele, et üks neljast lahjendusest läks selle protsessi käigus kahjuks kaduma.

Reostatud magevees kasvab erinevaid vetikaliike. Pildistasin vetikaid mikroskoobi abil ja usun, et need on kas klorokokk või klorella. Tundub, et on olemas veel vähemalt üks vetikaliik. Palun andke mulle teada, kas teil on võimalik neid liike identifitseerida!

Pärast vetikate kasvatamist proovis A võtsin sellest väikese proovi ja lisasin selle isetehtud spektrofotomeetri katseklaasi. Salvestasin Arduino väljundid iga valgusvärvi jaoks ja seostasin iga väljundi iga värvivahemiku keskmise lainepikkusega. See on:

Punane tuli = 685 nm

Oranž valgus = 605 nm

Kollane valgus = 580 nm

Roheline tuli = 532,5 nm

Sinine valgus = 472,5 nm

Violetne valgus = 415 nm

Samuti registreerisin Arduino väljundid iga valgusvärvi jaoks, kui proovipesasse paigutati Deer Parki vee proov.

Kasutades Beeri seadust, arvutasin iga mõõtmise jaoks neelduvuse väärtuse, võttes Deep Parki vee neelduvuse jagatise baas-10 logaritmi jagatuna proovi A neelduvusega. Ma nihutasin neelduvusväärtusi nii, et madalaima väärtuse neelduvus oleks null, ja joonistasin tulemused. Saate võrrelda neid tulemusi tavaliste pigmentide neeldumisspektriga (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.), Et proovida ära arvata pigmentide tüübid. sisaldub vetikaproovis.

14. samm: katsetage oma kodus spektrofotomeetrit - desinfitseerimiskatse

Omatehtud spektrofotomeetriga saate teha erinevaid tegevusi. Siin tegin katse, et näha, kuidas vetikad lagunevad, kui nad puutuvad kokku erinevate valgendi kontsentratsioonidega. Kasutasin toodet, mille naatriumhüpokloriti (st valgendi) kontsentratsioon oli 2,40%. Alustuseks lisasin 50 ml proovile A 50 ml koonilistele tuubidele. Seejärel lisasin proovidele erinevad kogused pleegituslahust ja võtsin spektrofotomeetri abil mõõtmised. 4 ml ja 2 ml pleegituslahuse lisamine proovidele põhjustas proovide peaaegu kohe selgeks muutumise, mis näitab peaaegu kohest vetikate desinfitseerimist ja desaktiveerimist. Kui proovidele lisati ainult 1 ml ja 0,5 ml (ligikaudu 15 tilka pipetist) valgendamislahust, jäeti piisavalt aega mõõtmiste tegemiseks omatehtud spektrofotomeetri abil ja mudeli lagunemine aja funktsioonina. Enne seda olin valgendamislahuse jaoks spektri konstrueerimiseks kasutanud viimases etapis kirjeldatud protseduuri ja määranud, et lahuse lainepikkus punasel valgusel oli piisavalt madal, et vetikate deaktiveerimise ligikaudne sekkumine, kasutades neeldumist punase lainepikkustel, ei segaks. valgus. Punase tule korral oli Arduino taustnäit 535 [-]. Mitmete mõõtmiste tegemine ja õlle seaduse rakendamine võimaldas mul konstrueerida kaks näidatud kõverat. Pange tähele, et neeldumisväärtusi nihutati nii, et madalaim neeldumisväärtus oleks 0.

Kui saadaval on hemotsütomeeter, võib tulevaste katsete abil välja töötada lineaarse regressiooni, mis seostab neeldumist raku kontsentratsiooniga proovis A. Seda seost saab seejärel kasutada Watson-Cricki võrrandis, et määrata CT-väärtus vetikate desaktiveerimiseks valgendi abil.

Samm 15: võtmed

Selle projekti kaudu kasvasin oma teadmisi keskkonnabioloogia ja ökoloogia põhialustest. See katse võimaldas mul edasi arendada oma arusaama fotoautotroofide kasvust ja lagunemiskineetikast veekeskkonnas. Lisaks praktiseerisin keskkonnaproovide võtmise ja analüüsimise tehnikaid, õppides samal ajal rohkem tundma mehhanisme, mis võimaldavad selliseid tööriistu nagu spektrofotomeetrid töötada. Proovide mikroskoobi all analüüsimisel õppisin rohkem tundma organismide mikrokeskkonda ja tutvusin üksikute liikide füüsikaliste struktuuridega.