Domaći Jenga blok spektrofotometar za eksperimente s algama: 15 koraka

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2025-01-23 14:37

Alge su fotosintetski protisti i kao takve su kritični organizmi u vodenim lancima ishrane. Međutim, tijekom proljetnih i ljetnih mjeseci ovi i drugi mikroorganizmi mogu se umnožiti i preplaviti prirodne vodne resurse, što rezultira iscrpljivanjem kisika i proizvodnjom otrovnih tvari. Razumijevanje brzine rasta ovih organizama može biti korisno u zaštiti vodnih resursa, kao i u razvoju tehnologija koje koriste njihovu moć. Osim toga, razumijevanje brzine deaktiviranja ovih organizama može biti korisno u prečišćavanju vode i otpadnih voda. U ovom istraživanju pokušat ću izgraditi jeftin spektrofotometar za analizu stopa raspadanja organizama izloženih izbjeljivaču klora u vodi uzorkovanoj iz Park Creeka u Horshamu u Pensilvaniji. Uzorak potočne vode prikupljen sa lokacije bit će oplođen mješavinom hranjivih tvari i ostavljen na sunčevoj svjetlosti kako bi se potaknuo rast algi. Domaći spektrofotometar omogućit će svjetlo diskretnih valnih duljina da prođe kroz bočicu uzorka prije nego što ga detektira fotootpornik spojen na Arduino kolo. Kako se gustoća organizama u uzorku povećava, očekuje se povećanje količine svjetlosti koju uzorak apsorbira. Ova vježba će naglasiti pojmove u elektronici, optici, biologiji, ekologiji i matematici.

Ideju za svoj spektrofotometar razvio sam iz instrukcijskog „Studentskog spektrofotometra“kompanije Satchelfrost i rada „A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer“autora Daniel R. Albert, Michael A. Todt i H. Floyd Davis.

Korak 1: Kreirajte svoj okvir svjetlosne putanje

Prvi korak u ovom Instructable -u je stvaranje okvira svjetlosne putanje od šest Jenga blokova i trake. Okvir putanje svjetla će se koristiti za pozicioniranje i podršku izvora svjetlosti, uređaja za povećanje i CD difrakcijske rešetke. Napravite dvije dugačke trake lijepljenjem tri Jenga bloka u liniju kako je prikazano na prvoj slici. Zalijepite ove trake zajedno kao što je prikazano na drugoj fotografiji.

Korak 2: Kreirajte bazu za svoj uređaj za povećanje i pričvrstite je na okvir svjetlosne putanje

Uređaj za povećanje će biti pričvršćen na okvir svjetlosne putanje i koncentrirat će svjetlost koju emitira LED dioda prije nego što se odvoji od CD -a. Zalijepite dva Jenga bloka tako da je sredina jednog bloka pod pravim kutom prema kraju drugog bloka kao što je prikazano na prvoj slici. Pričvrstite uređaj za povećanje na ovu podlogu pomoću trake kao što je prikazano na trećoj slici. Koristio sam malo, jeftino povećalo koje imam već nekoliko godina. Nakon pričvršćivanja uređaja za povećanje na podnožje, zalijepio sam uređaj za povećanje na okvir svjetlosne putanje. Svoj uređaj za povećanje postavio sam 13,5 cm dalje od ruba okvira svjetlosne putanje, ali možda ćete morati popraviti uređaj na drugom položaju, ovisno o žižnoj daljini povećala.

Korak 3: Kreirajte svoj izvor svjetlosti

Kako bih ograničio količinu nekoncentrirane svjetlosti koja može doći do CD difrakcijske rešetke i fotootpornika, upotrijebio sam električnu traku za pričvršćivanje bijele LED žarulje unutar crne kapice olovke koja je imala mali otvor na vrhu. Prva slika prikazuje LED, druga slika prikazuje zalijepljenu kapicu LED olovke. Koristio sam male komadiće električne trake kako bih spriječio da svjetlost sija sa stražnje strane LED diode gdje su anodna i katodna žica.

Nakon što sam stvorio poklopac LED olovke, pričvrstio sam LED diodu na otpornik od 220 ohma i izvor napajanja. Spojio sam LED na 5V i uzemljenje Arduino Uno mikrokontrolera, ali mogao se koristiti bilo koji vanjski izvor istosmjerne struje. Otpornik je važan kako bi se spriječilo izgaranje LED svjetla.

Korak 4: Pričvrstite izvor svjetlosti na okvir svjetlosne putanje

Zalijepite drugi Jenga blok pri kraju okvira svjetlosne putanje kako biste osigurali platformu za izvor svjetlosti. U mojim postavkama, Jenga blok koji podržava izvor svjetlosti bio je postavljen približno 4 cm od ruba okvira svjetlosne putanje. Kao što je prikazano na drugoj slici, ispravan položaj izvora svjetlosti je takav da se svjetlosni snop fokusira kroz uređaj za povećanje na suprotnom kraju okvira svjetlosne putanje gdje će biti CD difrakcijska rešetka.

Korak 5: Postavite okvir svjetlosne putanje, uređaj za povećanje i izvor svjetlosti u kućište okvira za datoteke

Upotrijebite kutiju za datoteke ili drugi spremnik sa nepropusnim stranicama kao kućište za držanje svake komponente spektrofotometra. Kao što je prikazano na slici, koristio sam traku za pričvršćivanje okvira putanje svjetla, uređaja za povećanje i izvora svjetlosti u kućište kutije za datoteke. Koristio sam jedan Jenga blok za postavljanje okvira svjetlosne putanje udaljenog približno 2,5 cm od ruba unutrašnjeg zida kutije za datoteke (Jenga blok je korišten samo za razmak, a kasnije je uklonjen).

Korak 6: Izrežite i postavite CD difrakcijsku rešetku

Nožem ili makazama izrežite CD u kvadrat s reflektirajućim licem i stranicama dugim približno 2,5 cm. Pomoću trake pričvrstite CD na Jenga blok. Igrajte se s pozicioniranjem Jenga bloka i CD difrakcijske rešetke kako biste ga postavili tako da projicira dugu na suprotni zid kućišta kutije za datoteke kada svjetlost iz LED izvora pogodi nju. Slike u prilogu pokazuju kako sam postavio ove komponente. Važno je da je projektovana duga relativno ravna kao što je prikazano na poslednjoj slici. Skica ravnala i olovke na unutrašnjoj strani zida kutije za datoteke mogu pomoći u određivanju kada je projekcija ravna.

Korak 7: Kreirajte držač uzorka

Odštampajte priloženi dokument i zalijepite papir trakom ili zalijepite na komad kartona. Upotrijebite škare ili nož za hobi da izrežete karton u obliku križa. Karton razrežite duž ispisanih linija u sredini križa. Dodatno, izrežite male proreze na jednakoj visini u sredini dva kraka kartonskog križa, kao što je prikazano; ti prorezi će omogućiti diskretnim talasnim dužinama svetlosti da prođu kroz uzorak do fotootpornika. Koristio sam traku da napravim karton čvršćim. Presavijte karton duž pločica i zalijepite ga tako da se formira pravokutni držač uzorka. Držač za uzorak treba čvrsto da stane oko staklene epruvete.

Korak 8: Kreirajte i pričvrstite bazu za držač uzorka

Zalijepite tri Jenga bloka i pričvrstite sklop na držač uzorka kao što je prikazano. Uvjerite se da je nastavak dovoljno čvrst da se držač uzorka od kartona ne odvoji od baze Jenga bloka kada se epruveta izvuče iz držača uzorka.

Korak 9: Dodajte fotootpornik u držač uzorka

Fotootpornici su fotoprovodljivi i smanjuju otpor koji pružaju povećanjem intenziteta svjetlosti. Zalijepio sam fotootpornik u malo drveno kućište, ali kućište nije potrebno. Zalijepite stražnji fotootpornik tako da njegovo osjetljivo lice bude postavljeno direktno uz prorez koji ste izrezali u držaču uzorka. Pokušajte postaviti fotootpornik tako da što više svjetlosti padne u njega nakon prolaska kroz uzorak i proreze držača uzorka.

Korak 10: Ožičite fotootpornik

Da bih ožičio fotootpornik u Arduino kolu, prvo sam presjekao i ogolio žice starog kabela USB pisača. Zalijepila sam tri bloka zajedno kao što je prikazano, a zatim pričvrstila ogoljene žice na ovu podlogu. Pomoću dva spoja spojio sam žice kabela USB pisača s priključcima fotootpornika i zalijepio baze zajedno u jednu cjelinu (kao što je prikazano na četvrtoj slici). Sve dugačke žice mogu se koristiti umjesto žica kabela pisača.

Spojite jednu žicu koja izlazi iz fotootpora na Arduino 5V izlaz. Spojite drugu žicu s fotootpornika na žicu koja vodi do jednog od Arduinovih analognih portova. Zatim paralelno dodajte otpornik od 10 kilo-ohma i spojite otpornik na Arduino uzemljenje. Posljednja slika konceptualno prikazuje kako se ove veze mogu uspostaviti (zasluga za circuit.io).

Korak 11: Povežite sve komponente s Arduinom

Povežite svoje računalo s Arduinom i prenesite priloženi kôd na njega. Nakon što preuzmete kôd, možete ga prilagoditi svojim potrebama i željama. Trenutno, Arduino vrši 125 mjerenja svaki put kada se pokrene (također daje prosjek ovih mjerenja na kraju), a njegov analogni signal vodi do A2. Na vrhu koda možete promijeniti naziv uzorka i datum uzorka. Za pregled rezultata pritisnite gumb za serijski monitor u gornjem desnom kutu Arduino desktop sučelja.

Iako je pomalo neuredno, možete vidjeti kako sam na kraju spojio svaku komponentu Arduino kruga. Koristio sam dvije matične ploče, ali lako biste mogli napraviti samo jednu. Osim toga, moj LED izvor svjetla spojen je na Arduino, ali za njega možete koristiti drugo napajanje.

Korak 12: Postavite držač uzorka u kućište datoteke

Posljednji korak u stvaranju vašeg domaćeg spektrofotometra je postavljanje držača uzorka u kućište datoteke. Izrezao sam mali prorez u kutiji za datoteke kako bih prošao žice od fotootpornika. Ovaj posljednji korak tretirao sam kao više umjetnost nego nauku, jer će prethodno postavljanje svake komponente sistema uticati na pozicioniranje držača uzorka u kućištu datoteke. Postavite držač uzorka tako da možete poravnati prorez u držaču uzorka sa pojedinačnom bojom svetlosti. Na primjer, možete postaviti Arduino tako da narančasto i zeleno svjetlo projiciraju s obje strane proreza, dok samo žuto svjetlo prolazi kroz prorez do fotootpornika. Nakon što pronađete lokaciju na kojoj samo jedna boja svjetla prolazi kroz prorez u držaču uzorka, pomaknite držač uzorka bočno kako biste identificirali odgovarajuća mjesta za svaku drugu boju (zapamtite, ROYGBV). Olovkom nacrtajte ravne linije duž dna kućišta kutije za datoteke kako biste označili mjesta na kojima samo jedna boja svjetlosti može doseći fotootpornik. Zalijepio sam dva Jenga bloka ispred i iza držača uzorka kako bih bio siguran da nisam odstupio od ovih oznaka prilikom mjerenja.

Korak 13: Testirajte svoj domaći spektrofotometar - stvorite spektar

Obavio sam nekoliko testova sa svojim domaćim spektrofotometrom. Kao inženjer zaštite okoliša, zanima me kvaliteta vode i uzeo sam uzorke vode iz malog potoka pored moje kuće. Prilikom uzimanja uzoraka važno je da koristite čistu posudu i da tokom uzorkovanja stojite iza posude. Stajanje iza uzorka (tj. Nizvodno od mjesta sakupljanja) pomaže u sprječavanju kontaminacije vašeg uzorka i smanjuje stepen uticaja vaših aktivnosti u toku na uzorak. U jedan uzorak (Uzorak A), dodao sam malu količinu Miracle-Gro (količina odgovarajuća za sobne biljke, s obzirom na moju zapreminu uzorka), au drugom uzorku nisam dodao ništa (Uzorak B). Ostavio sam ove uzorke u dobro osvijetljenoj prostoriji bez poklopaca kako bi se omogućila fotosinteza (držanje poklopaca isključenim za izmjenu plina). Kao što vidite, na slikama je uzorak koji je dopunjen Miracle-Gro postao zasićen zelenim platonskim algama, dok uzorak bez Miracle-Gro nije doživio značajniji rast nakon otprilike 15 dana. Nakon što je zasićen algama, razrijedio sam dio uzorka A u koničnim epruvetama od 50 ml i ostavio ih u istoj dobro osvijetljenoj prostoriji bez poklopaca. Otprilike 5 dana kasnije, već su bile vidljive razlike u njihovoj boji, što ukazuje na rast algi. Imajte na umu da je jedno od četiri razrjeđenja nažalost izgubljeno u procesu.

Postoje različite vrste algi koje rastu u zagađenim slatkim vodama. Fotografirao sam alge pomoću mikroskopa i vjerujem da su ili klorokokum ili klorela. Čini se da je prisutna još najmanje jedna vrsta algi. Javite mi ako možete identifikovati ove vrste!

Nakon uzgoja algi u uzorku A, uzeo sam mali uzorak te je dodao u epruvetu u domaćem spektrofotometru. Snimio sam Arduino izlaze za svaku boju svjetlosti i svaki izlaz povezao sa prosječnom valnom dužinom svakog raspona boja. To je:

Crveno svjetlo = 685 nm

Narandžasta svjetlost = 605 nm

Žuto svjetlo = 580 nm

Zeleno svjetlo = 532,5 nm

Plavo svjetlo = 472,5 nm

Ljubičasta svjetlost = 415 nm

Također sam zabilježio izlaze Arduina za svaku boju svjetlosti kada je uzorak vode Deer Parka stavljen u držač za uzorak.

Koristeći Beerov zakon, izračunao sam vrijednost apsorbancije za svako mjerenje uzimajući logaritam baze-10 kvocijenta apsorpcije vode u Deep Parku podijeljen s apsorbancom uzorka A. Promijenio sam vrijednosti apsorbancije tako da je apsorbancija najniže vrijednosti bila nula i iscrtao rezultate. Možete uporediti ove rezultate sa spektrom apsorbancije uobičajenih pigmenata (Sahoo, D. i Seckbach, J. (2015). Svijet algi. Stanično podrijetlo, život na ekstremnim staništima i astrobiologija.) Da pokušate pogoditi vrste pigmenata sadržane u uzorku algi.

Korak 14: Testirajte svoj domaći spektrofotometar - eksperiment dezinfekcije

Sa svojim domaćim spektrofotometrom možete obavljati različite aktivnosti. Ovdje sam proveo eksperiment kako bih vidio kako alge propadaju kada su izložene različitim koncentracijama izbjeljivača. Koristio sam proizvod s koncentracijom natrij hipohlorita (tj. Izbjeljivač) od 2,40%. Počeo sam dodavanjem 50 mL uzorka A u 50 mL konične cijevi. Zatim sam uzorcima dodao različite količine otopine izbjeljivača i obavio mjerenja pomoću spektrofotometra. Dodavanje 4 mL i 2 mL rastvora izbjeljivača u uzorke uzrokovalo je da se uzorci skoro odmah izbistre, što ukazuje na gotovo trenutnu dezinfekciju i deaktiviranje algi. Dodavanjem samo 1 mL i 0.5 mL (približno 15 kapi iz pipete) otopine izbjeljivača u uzorke, ostavljeno je dovoljno vremena za mjerenje pomoću domaćeg spektrofotometra i raspadanja modela u zavisnosti od vremena. Prije nego što sam to učinio, upotrijebio sam postupak u posljednjem koraku za konstruiranje spektra za otopinu izbjeljivača i utvrdio da je valna duljina otopine pri crvenom svjetlu dovoljno niska da će biti malih smetnji pri približavanju deaktiviranja algi pomoću apsorbancije na valnim duljinama crvene boje svjetlo. Na crvenom svjetlu, pozadinsko očitavanje sa Arduina bilo je 535 [-]. Nekoliko mjerenja i primjena Beerovog zakona omogućili su mi da konstruiram dvije prikazane krivulje. Imajte na umu da su vrijednosti apsorbancije pomaknute tako da je najniža apsorbirana vrijednost 0.

Ako je dostupan hemocitometar, budući eksperimenti mogli bi se koristiti za razvoj linearne regresije koja povezuje apsorbanciju s koncentracijom ćelija u uzorku A. Taj bi se odnos tada mogao koristiti u Watson-Crickovoj jednadžbi za određivanje CT vrijednosti za deaktiviranje algi pomoću izbjeljivača.

Korak 15: Ključne stavke za poneti

Kroz ovaj projekt stekao sam znanje o principima koji su fundamentalni za biologiju i ekologiju okoliša. Ovaj eksperiment mi je omogućio da dalje razvijem svoje razumijevanje kinetike rasta i raspada fotoautotrofa u vodenom okruženju. Osim toga, vježbao sam tehnike uzorkovanja i analize okoliša, dok sam učio više o mehanizmima koji omogućuju rad alata poput spektrofotometara. Analizirajući uzorke pod mikroskopom, saznao sam više o mikrookruženju organizama i upoznao se s fizičkim strukturama pojedinih vrsta.