Pašdarināts Jenga bloka spektrofotometrs aļģu eksperimentiem: 15 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Aļģes ir fotosintēzes protisti, un tāpēc tās ir kritiski organismi ūdens barības ķēdēs. Tomēr pavasara un vasaras mēnešos šie un citi mikroorganismi var vairoties un pārspēt dabiskos ūdens resursus, kā rezultātā samazinās skābeklis un rodas toksiskas vielas. Izpratne par šo organismu augšanas ātrumu var būt noderīga, lai aizsargātu ūdens resursus, kā arī izstrādātu tehnoloģijas, kas izmanto to spēku. Turklāt izpratne par šo organismu deaktivizācijas ātrumu var būt noderīga ūdens un notekūdeņu attīrīšanā. Šajā izmeklēšanā es mēģināšu izveidot zemu izmaksu spektrofotometru, lai analizētu organismu sabrukšanas ātrumu, kas pakļauti hlora balinātājam ūdenī, kas ņemts no Park Creek Horsham, Pensilvānijas. No vietas savāktais strauta ūdens paraugs tiks apaugļots ar barības vielu maisījumu un atstāts saules gaismā, lai veicinātu aļģu augšanu. Pašdarināts spektrofotometrs ļaus gaismai noteiktos viļņu garumos iziet cauri parauga flakonam, pirms to atklāj fotorezistors, kas savienots ar Arduino ķēdi. Palielinoties organismu blīvumam paraugā, paredzams, ka paraugā absorbētās gaismas daudzums palielināsies. Šis uzdevums uzsvērs elektronikas, optikas, bioloģijas, ekoloģijas un matemātikas jēdzienus.

Es esmu izstrādājis ideju par savu spektrofotometru no Satchelfrost pamācāmā “Studentu spektrofotometra” un Daniela R. Alberta, Maikla A. Todta un H. Floida Deivisa darba “Zemu izmaksu kvantitatīvās absorbcijas spektrofotometrs”.

1. darbība: izveidojiet gaismas ceļa rāmi

Pirmais solis šajā pamācībā ir izveidot gaismas ceļa rāmi no sešiem Jenga blokiem un lentes. Gaismas ceļa rāmis tiks izmantots, lai novietotu un atbalstītu gaismas avotu, palielinājuma ierīci un CD difrakcijas režģi. Izveidojiet divas garas sloksnes, piespiežot trīs Jenga blokus līnijā, kā parādīts pirmajā attēlā. Līmējiet šīs sloksnes kopā, kā parādīts otrajā fotoattēlā.

2. darbība: izveidojiet pamatu palielinājuma ierīcei un pievienojiet to gaismas ceļa rāmim

Palielinājuma ierīce tiks piestiprināta pie gaismas ceļa rāmja un koncentrēs gaismas diodes izstaroto gaismu pirms CD izkliedēšanas. Līmējiet kopā divus Jenga blokus tā, lai viena bloka vidusdaļa būtu taisnā leņķī pret cita bloka galu, kā parādīts pirmajā attēlā. Pievienojiet palielināšanas ierīci šai pamatnei, izmantojot lenti, kā parādīts trešajā attēlā. Es izmantoju nelielu, lētu palielināmo stiklu, kas man ir bijis vairākus gadus. Pēc palielinājuma ierīces piestiprināšanas pie pamatnes es pielīmēju palielinājuma ierīci gaismas ceļa rāmim. Es palielināšanas ierīci novietoju 13,5 cm attālumā no gaismas ceļa rāmja malas, taču, iespējams, jums būs jālabo ierīce citā pozīcijā atkarībā no palielināmā stikla fokusa attāluma.

3. darbība: izveidojiet savu gaismas avotu

Lai ierobežotu nekoncentrētas gaismas daudzumu, kas var sasniegt CD difrakcijas režģi un fotorezistoru, es ar elektrisko lenti piestiprināju baltu LED spuldzi melnas pildspalvas vāciņa iekšpusē, kura augšpusē bija mazs caurums. Pirmajā attēlā redzama gaismas diode, otrajā attēlā redzama LED pildspalvas vāciņa lente. Es izmantoju mazus elektriskās lentes gabalus, lai novērstu gaismas spīdēšanu no LED aizmugures, kur atrodas anoda un katoda vadi.

Pēc LED pildspalvas vāciņa izveidošanas es pievienoju LED 220 omu rezistoram un barošanas avotam. Es vadu LED ar Arduino Uno mikrokontrollera 5 V un zemējuma savienojumiem, bet var izmantot jebkuru ārēju līdzstrāvas avotu. Rezistors ir svarīgs, lai novērstu LED gaismas izdegšanu.

4. solis: nostipriniet gaismas avotu pie gaismas ceļa rāmja

Līmējiet citu Jenga bloku pie gaismas ceļa rāmja gala, lai nodrošinātu platformu gaismas avotam. Manā uzstādījumā Jenga bloks, kas atbalsta gaismas avotu, tika novietots aptuveni 4 cm attālumā no gaismas ceļa rāmja malas. Kā parādīts otrajā attēlā, pareizais gaismas avota novietojums ir tāds, ka gaismas stars fokusējas caur palielinājuma ierīci gaismas ceļa rāmja pretējā galā, kur atradīsies CD difrakcijas režģis.

5. darbība: ievietojiet gaismas ceļa rāmi, palielinājuma ierīci un gaismas avotu failu kastes korpusā

Izmantojiet kartona kārbu vai citu aizzīmogojamu trauku ar necaurspīdīgām malām, lai turētu visas spektrofotometra sastāvdaļas. Kā parādīts attēlā, es izmantoju lenti, lai nostiprinātu gaismas ceļa rāmi, palielinājuma ierīci un gaismas avotu failu kastes korpusā. Es izmantoju vienu Jenga bloku, lai novietotu gaismas ceļa rāmi apmēram 2,5 cm attālumā no failu kastes iekšējās sienas malas (Jenga bloks tika izmantots tikai atstarpēm un vēlāk tika noņemts).

6. darbība: izgrieziet un novietojiet CD difrakcijas režģi

Izmantojiet hobija nazi vai šķēres, lai izgrieztu kompaktdisku kvadrātā ar atstarojošu seju un aptuveni 2,5 cm garām malām. Izmantojiet lenti, lai pievienotu kompaktdisku Jenga blokam. Spēlējiet ar Jenga bloka un CD difrakcijas režģa novietojumu tā, lai tas novietotu varavīksni uz failu kastes korpusa pretējās sienas, kad gaismas avots to skar. Pievienotie attēli parāda, kā es novietoju šīs sastāvdaļas. Ir svarīgi, lai prognozētā varavīksne būtu salīdzinoši līdzena, kā parādīts pēdējā attēlā. Lineāls un zīmuļa skice failu kastes sienas iekšpusē var palīdzēt noteikt, kad projekcija ir līdzena.

7. darbība: izveidojiet parauga turētāju

Izdrukājiet pievienoto dokumentu un pielīmējiet vai pielīmējiet papīru uz kartona gabala. Izmantojiet šķēres vai hobija nazi, lai kartonu sagrieztu krusta formā. Novietojiet kartonu gar drukātajām līnijām krusta centrā. Turklāt izgrieziet mazus šķēlumus vienādā augstumā kartona krusta divu roku vidū, kā parādīts attēlā; šīs spraugas ļaus diskrētiem gaismas viļņu garumiem iziet caur paraugu uz fotorezistoru. Es izmantoju lenti, lai padarītu kartonu izturīgāku. Salokiet kartonu gar atzīmēm un pielīmējiet to tā, lai tiktu izveidots taisnstūrveida parauga turētājs. Parauga turētājam cieši jāietilpst ap stikla mēģeni.

8. darbība: izveidojiet un pievienojiet parauga turētāja pamatni

Līmējiet kopā trīs Jenga blokus un pievienojiet komplektu parauga turētājam, kā parādīts attēlā. Pārliecinieties, ka stiprinājums ir pietiekami stiprs, lai kartona parauga turētājs neatdalītos no Jenga bloka pamatnes, kad mēģeni izvelk no parauga turētāja.

9. darbība: pievienojiet fotorezistoru parauga turētājam

Fotorezistori ir fotovadītspējīgi un, palielinoties gaismas intensitātei, samazina to pretestību. Es ievietoju fotorezistoru nelielā koka korpusā, bet korpuss nav nepieciešams. Aizlīmējiet aizmugurējo fotorezistoru tā, lai tā uztverošā virsma būtu tieši pret parauga turētāja griezumu. Mēģiniet novietot fotorezistoru tā, lai pēc parauga un parauga turētāja spraugu nokļūtu tajā pēc iespējas vairāk gaismas.

10. solis: pievienojiet fotorezistoru

Lai pievienotu fotorezistoru Arduino ķēdē, es vispirms nogriezu un atvienoju vecā USB printera kabeļa vadus. Es salīmēju trīs blokus kopā, kā parādīts attēlā, un pēc tam pievienoju noņemtos vadus šai pamatnei. Izmantojot divus muca savienojumus, es pievienoju USB printera kabeļa vadus fotorezistora spailēm un līmēju pamatnes kopā, lai izveidotu vienu vienību (kā parādīts ceturtajā attēlā). Printera kabeļa vadu vietā var izmantot jebkurus garus vadus.

Pievienojiet vienu vadu, kas nāk no fotorezistora, ar Arduino 5V izejas jaudu. Pievienojiet otru vadu no fotorezistora vadam, kas ved uz vienu no Arduino analogiem portos. Pēc tam paralēli pievienojiet 10 kilo-omu rezistoru un pievienojiet rezistoru Arduino zemes pieslēgumam. Pēdējais attēls konceptuāli parāda, kā šos savienojumus varētu izveidot (kredīts pie circuit.io).

11. darbība: pievienojiet visas sastāvdaļas Arduino

Pievienojiet datoru Arduino un augšupielādējiet tajā pievienoto kodu. Kad esat lejupielādējis kodu, varat to pielāgot savām vajadzībām un vēlmēm. Pašlaik Arduino veic 125 mērījumus katru reizi, kad tas tiek palaists (beigās tas arī vidēji aprēķina šos mērījumus), un tā analogs signālā noved pie A2. Koda augšdaļā varat mainīt parauga nosaukumu un parauga datumu. Lai skatītu rezultātus, nospiediet sērijveida monitora pogu Arduino darbvirsmas saskarnes augšējā labajā stūrī.

Lai gan tas ir nedaudz netīrs, jūs varat redzēt, kā es beidzot savienoju katru Arduino ķēdes komponentu. Es izmantoju divus maizes dēļus, bet jūs varētu viegli iztikt tikai ar vienu. Turklāt mans LED gaismas avots ir pievienots Arduino, taču, ja vēlaties, varat tam izmantot citu barošanas avotu.

12. darbība: ievietojiet parauga turētāju failu kastes korpusā

Mājas spektrofotometra izveides pēdējais solis ir novietot parauga turētāju failu kastes korpusā. Failu kastē es izgriezu nelielu spraugu, lai izvadītu vadus no fotorezistora. Šo pēdējo soli es uztvēru kā mākslu, nevis zinātni, jo katras sistēmas sastāvdaļas iepriekšēja ievietošana ietekmēs parauga turētāja novietojumu kartotēkas korpusā. Novietojiet parauga turētāju tā, lai parauga turētāja spraugu varētu saskaņot ar atsevišķu gaismas krāsu. Piemēram, jūs varat novietot Arduino tā, lai oranžā un zaļā gaisma izstarotos uz abām spraugas pusēm, bet tikai dzeltenā gaisma iziet caur spraugu uz fotorezistoru. Kad esat atradis vietu, kur caur parauga turētāja spraugu iet tikai viena krāsas gaisma, pārvietojiet parauga turētāju uz sāniem, lai noteiktu katrai citai krāsai atbilstošās vietas (atcerieties, ROYGBV). Izmantojiet zīmuli, lai novilktu taisnas līnijas gar kastes korpusa apakšdaļu, lai atzīmētu vietas, kur fotorezistoru var sasniegt tikai viena gaismas krāsa. Es līmēju divus Jenga blokus parauga turētāja priekšā un aizmugurē, lai pārliecinātos, ka, lasot rādījumus, nenovirzos no šiem marķējumiem.

13. darbība: pārbaudiet mājās gatavotu spektrofotometru - izveidojiet spektru

Es veicu vairākus testus ar savu mājās gatavoto spektrofotometru. Kā vides inženieris mani interesē ūdens kvalitāte un es paņēmu ūdens paraugus no nelielas straumes pie savas mājas. Ņemot paraugus, ir svarīgi, lai jūs izmantotu tīru trauku un paraugu ņemšanas laikā stāvētu aiz konteinera. Stāvēšana aiz parauga (t.i., lejup pa straumi no savākšanas punkta) palīdz novērst parauga piesārņošanu un samazina to, cik lielā mērā jūsu darbība straumē ietekmē paraugu. Vienā paraugā (A paraugs) es pievienoju nelielu daudzumu Miracle-Gro (daudzums, kas piemērots istabas augiem, ņemot vērā manu parauga tilpumu), un otrā paraugā es neko nepievienoju (B paraugs). Es atstāju šos paraugus sēdēt labi apgaismotā telpā bez vākiem, lai būtu iespējama fotosintēze (lai vāki nebūtu izslēgti gāzes apmaiņai). Kā redzat, attēlos paraugs, kas tika papildināts ar Miracle-Gro, kļuva piesātināts ar zaļajām platoniskajām aļģēm, savukārt paraugs bez Miracle-Gro pēc 15 dienām būtiski nepieauga. Pēc tam, kad tas bija piesātināts ar aļģēm, es atšķaidīju daļu A parauga 50 ml konusveida mēģenēs un atstāju tos tajā pašā labi apgaismotā telpā bez vākiem. Aptuveni 5 dienas vēlāk to krāsā jau bija manāmas atšķirības, kas liecina par aļģu augšanu. Ņemiet vērā, ka viens no četriem atšķaidījumiem diemžēl tika zaudēts.

Ir dažādi aļģu veidi, kas aug piesārņotos saldūdeņos. Es fotografēju aļģes, izmantojot mikroskopu, un uzskatu, ka tās ir vai nu hlorokoku, vai hlorella. Šķiet, ka ir arī vismaz viena cita aļģu suga. Lūdzu, dariet man zināmu, vai varat identificēt šīs sugas!

Pēc aļģu audzēšanas A paraugā es paņēmu nelielu tā paraugu un pievienoju to mēģenē mājās gatavotā spektrofotometrā. Es ierakstīju Arduino izvadus katrai gaismas krāsai un katru izeju saistīju ar katra krāsu diapazona vidējo viļņu garumu. Tas ir:

Sarkanā gaisma = 685 nm

Oranžā gaisma = 605 nm

Dzeltenā gaisma = 580 nm

Zaļā gaisma = 532,5 nm

Zilā gaisma = 472,5 nm

Violeta gaisma = 415 nm

Es arī ierakstīju Arduino izvadus katrai gaismas krāsai, kad parauga turētājā tika ievietots Deer Park ūdens paraugs.

Izmantojot Alus likumu, es aprēķināju absorbcijas vērtību katram mērījumam, ņemot Deep Park ūdens absorbcijas koeficienta 10 logaritmu, kas dalīts ar A parauga absorbciju. Es mainīju absorbcijas vērtības tā, lai zemākās vērtības absorbcija būtu nulle, un uzzīmēju rezultātus. Varat salīdzināt šos rezultātus ar parasto pigmentu absorbcijas spektru (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.), Lai mēģinātu uzminēt pigmentu veidus. kas atrodas aļģu paraugā.

14. solis: pārbaudiet mājās gatavotu spektrofotometru - dezinfekcijas eksperiments

Ar mājās gatavotu spektrofotometru jūs varat veikt dažādas darbības. Šeit es veicu eksperimentu, lai noskaidrotu, kā aļģes sabrūk, ja tiek pakļautas dažādām balinātāju koncentrācijām. Es izmantoju produktu ar nātrija hipohlorīta (t.i., balinātāja) koncentrāciju 2,40%. Es sāku, pievienojot 50 ml A parauga 50 ml konusveida mēģenēm. Pēc tam es pievienoju paraugiem dažādus balinātāja šķīduma daudzumus un veicu mērījumus, izmantojot spektrofotometru. Pievienojot paraugiem 4 ml un 2 ml balinātāja šķīduma, paraugi gandrīz uzreiz kļuva dzidri, norādot uz gandrīz tūlītēju aļģu dezinfekciju un dezaktivāciju. Pievienojot paraugiem tikai 1 ml un 0,5 ml (aptuveni 15 pilieni no pipetes) balinātāja šķīduma, tika atvēlēts pietiekami daudz laika, lai veiktu mērījumus, izmantojot mājās gatavotu spektrofotometru, un modeļa sabrukšana kā laika funkcija. Pirms to izdarīt, es izmantoju procedūru pēdējā posmā, lai izveidotu spektru balinātāja šķīdumam, un noskaidroju, ka šķīduma viļņa garums pie sarkanās gaismas ir pietiekami zems, lai radītu maz traucējumu aļģu dezaktivācijai, izmantojot absorbciju pie sarkanā viļņa garuma gaisma. Pie sarkanās gaismas fona rādījums no Arduino bija 535 [-]. Vairāku mērījumu veikšana un Alus likuma piemērošana ļāva man izveidot divas parādītās līknes. Ņemiet vērā, ka absorbcijas vērtības tika pārvietotas tā, ka zemākā absorbētā vērtība ir 0.

Ja ir pieejams hemocitometrs, turpmākos eksperimentus varētu izmantot, lai izstrādātu lineāru regresiju, kas saistītu absorbciju ar šūnu koncentrāciju paraugā A. Šo sakarību pēc tam varētu izmantot Vatsona-Krika vienādojumā, lai noteiktu CT vērtību aļģu dezaktivācijai, izmantojot balinātāju.

15. solis: galvenās maltītes

Izmantojot šo projektu, es papildināju savas zināšanas par vides bioloģijas un ekoloģijas pamatprincipiem. Šis eksperiments ļāva man tālāk attīstīt savu izpratni par fotoautotrofu augšanas un sabrukšanas kinētiku ūdens vidē. Turklāt es praktizēju vides paraugu ņemšanas un analīzes metodes, vienlaikus uzzinot vairāk par mehānismiem, kas ļauj darboties tādiem instrumentiem kā spektrofotometri. Analizējot paraugus mikroskopā, es uzzināju vairāk par organismu mikro vidi un iepazinos ar atsevišķu sugu fiziskajām struktūrām.