Domáci blokový spektrofotometer Jenga pre experimenty s riasami: 15 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Riasy sú prvkami fotosyntézy a ako také sú kritickými organizmami vo vodných potravinových reťazcoch. V jarných a letných mesiacoch sa však tieto a ďalšie mikroorganizmy môžu množiť a zaplavovať prírodné vodné zdroje, čo má za následok vyčerpanie kyslíka a produkciu toxických látok. Pochopenie rýchlosti, ktorou tieto organizmy rastú, môže byť užitočné pri ochrane vodných zdrojov a pri vývoji technológií, ktoré využívajú ich silu. Pochopenie rýchlosti, ktorou sú tieto organizmy deaktivované, môže byť navyše užitočné pri čistení vody a odpadových vôd. V tomto vyšetrovaní sa pokúsim vybudovať lacný spektrofotometer na analýzu rýchlostí rozpadu organizmov vystavených chlórovému bielidlu vo vode odobratej z Park Creek v Horsham v Pensylvánii. Vzorka potokovej vody zozbieranej z miesta bude oplodnená zmesou živín a ponechaná na slnku na podporu rastu rias. Podomácky vyrobený spektrofotometer umožní svetlu na diskrétnych vlnových dĺžkach prejsť cez liekovku so vzorkou a až potom ho zistí fotorezistor pripojený k obvodu Arduino. So zvyšujúcou sa hustotou organizmov vo vzorke sa očakáva zvýšenie množstva svetla absorbovaného vzorkou. Toto cvičenie bude klásť dôraz na pojmy z elektroniky, optiky, biológie, ekológie a matematiky.

Myšlienku svojho spektrofotometra som vyvinul z inštruovateľného „študentského spektrofotometra“od Satchelfrost a z dokumentu „Nízkorozpočtový kvantitatívny absorpčný spektrofotometer“od Daniela R. Alberta, Michaela A. Todta a H. Floyda Davisa.

Krok 1: Vytvorte si rám svetelnej cesty

Prvým krokom v tomto návode je vytvorenie rámca svetelnej cesty zo šiestich blokov a pásky Jenga. Rám svetelnej dráhy sa použije na umiestnenie a podporu zdroja svetla, zariadenia na zväčšenie a CD difrakčnej mriežky. Vytvorte dva dlhé pásy prilepením troch blokov Jenga v rade, ako je to znázornené na prvom obrázku. Tieto pásy zalepte páskou, ako je znázornené na druhej fotografii.

Krok 2: Vytvorte základňu pre svoje zariadenie na zväčšenie a pripevnite ho k rámu svetelnej cesty

Zväčšovacie zariadenie bude pripevnené k rámu svetelnej dráhy a koncentruje svetlo vyžarované diódou LED pred difrakciou z disku CD. Prilepte dva bloky Jenga tak, aby stred jedného bloku bol v pravom uhle ku koncu iného bloku, ako je to znázornené na prvom obrázku. Pripojte zväčšovacie zariadenie k tejto základni pomocou pásky, ako je znázornené na treťom obrázku. Použil som malú, lacnú lupu, ktorú mám už niekoľko rokov. Po pripevnení zväčšovacieho zariadenia na jeho základňu som zväčšovacie zariadenie prilepil páskou k rámu svetelnej dráhy. Zväčšovacie zariadenie som umiestnil 13,5 cm od okraja rámu svetelnej dráhy, ale možno budete musieť zariadenie zafixovať v inej polohe v závislosti od ohniskovej vzdialenosti lupy.

Krok 3: Vytvorte si svetelný zdroj

Aby som obmedzil množstvo nekoncentrovaného svetla, ktoré môže dosiahnuť difrakčnú mriežku CD a fotorezistor, použil som elektrickú pásku na upevnenie bielej LED žiarovky do čierneho krytu pera, ktorý mal v hornej časti malý otvor. Prvý obrázok zobrazuje LED diódu, druhý obrázok zobrazuje zalepenú krytku LED diódy. Použil som malé kúsky elektrickej pásky, aby som zabránil žiareniu svetla zo zadnej strany LED diódy, kde sú anódové a katódové vodiče.

Po vytvorení krytu pera LED som LED pripevnil k 220 ohmovému odporu a zdroju energie. LED som zapojil do 5V a uzemnenia mikrokontroléra Arduino Uno, ale mohol byť použitý akýkoľvek externý zdroj jednosmerného prúdu. Rezistor je dôležitý, aby sa zabránilo vyhoreniu svetla LED.

Krok 4: Zaistite svetelný zdroj k rámu svetelnej cesty

Prilepte ďalší blok Jenga v blízkosti konca rámu svetelnej cesty, aby poskytol platformu pre svetelný zdroj. V mojej zostave bol blok Jenga podporujúci svetelný zdroj umiestnený približne 4 cm od okraja rámu svetelnej dráhy. Ako je znázornené na druhom obrázku, správne umiestnenie zdroja svetla je také, že svetelný lúč zaostruje cez zväčšovacie zariadenie na opačnom konci rámu svetelnej dráhy, kde bude difrakčná mriežka CD.

Krok 5: Umiestnite rám svetelnej cesty, zväčšovacie zariadenie a svetelný zdroj do puzdra schránky súborov

Na uloženie každej zo zložiek spektrofotometra použite škatuľu na spisy alebo inú uzatvárateľnú nádobu s nepriehľadnými stranami. Ako je znázornené na obrázku, páskou som zaistil rám svetelnej dráhy, zväčšovacie zariadenie a svetelný zdroj v puzdre schránky so súbormi. Jeden blok Jenga som použil na oddelenie rámu svetelnej cesty približne 2,5 cm od okraja vnútornej steny škatule (blok Jenga slúžil výlučne na medzery a neskôr bol odstránený).

Krok 6: Vyrežte a umiestnite difrakčnú mriežku CD

Pomocou hobby noža alebo nožníc narežte disk CD na štvorec s reflexnou tvárou a stranami dlhými približne 2,5 cm. Pomocou pásky pripevnite disk CD k bloku Jenga. Pohrajte sa s umiestnením bloku Jenga a difrakčnej mriežky CD tak, aby ho umiestnili tak, že keď naň dopadne svetlo zo zdroja LED, premieta dúhu na protiľahlú stenu skrinky schránky. Priložené obrázky ukazujú, ako som tieto komponenty umiestnil. Je dôležité, aby projektovaná dúha bola relatívne rovná, ako je znázornené na poslednom obrázku. Náčrt pravítka a ceruzky na vnútornej strane steny škatule môže pomôcť určiť, či je projekcia rovná.

Krok 7: Vytvorte držiak vzorky

Vytlačte priložený dokument a papier prilepte páskou alebo prilepte na kus lepenky. Nožnicami alebo hobby nožom narežte lepenku do kríža. Vyhodnoťte lepenku podľa vytlačených čiar v strede kríža. Okrem toho vyrežte malé štrbiny v rovnakej výške v strede dvoch ramien kartónového kríža, ako je znázornené; tieto štrbiny umožnia diskrétnym vlnovým dĺžkam svetla prejsť cez vzorku do fotorezistora. Na zvýšenie pevnosti kartónu som použil pásku. Zložte lepenku pozdĺž nití a prilepte ju páskou tak, aby sa vytvoril obdĺžnikový držiak vzorky. Držiak vzorky by mal tesne priliehať k sklenenej skúmavke.

Krok 8: Vytvorte a pripevnite základňu k držiaku vzoriek

Zlepte tri bloky Jenga páskou a pripevnite zostavu k držiaku vzorky podľa obrázku. Uistite sa, že je nástavec dostatočne pevný, aby sa kartónový držiak vzoriek neoddelil od základne bloku Jenga pri vytiahnutí skúmavky z držiaka vzorky.

Krok 9: Pridajte fotorezistor do držiaka vzorky

Fotorezistory sú fotovodivé a so zvyšujúcou sa intenzitou svetla znižujú odpor, ktorý poskytujú. Fotorezistor som zalepil páskou do malého, dreveného puzdra, ale puzdro nie je potrebné. Prilepte zadný fotorezistor tak, aby jeho snímacia plocha bola umiestnená priamo proti štrbine, ktorú ste prerezali v držiaku vzorky. Po prechode vzorkou a štrbinami držiaka vzorky sa pokúste umiestniť fotorezistor tak, aby naň dopadalo čo najviac svetla.

Krok 10: Pripojte fotorezistor

Na zapojenie fotoodporu v obvode Arduino som najskôr nastrihal a odizoloval vodiče starého kábla USB tlačiarne. Tri bloky som k sebe prilepil páskou, ako je znázornené na obrázku, a potom som k tejto základni pripevnil odizolované drôty. Pomocou dvoch spojok na tupo som pripojil vodiče kábla USB tlačiarne k svorkám fotorezistora a spojil som základne páskou, aby vytvorili jednu jednotku (ako je znázornené na štvrtom obrázku). Namiesto vodičov kábla tlačiarne je možné použiť akékoľvek dlhé vodiče.

Pripojte jeden vodič vychádzajúci z fotorezistora k 5V výstupu Arduina. Pripojte druhý vodič z fotorezistoru k vodiču vedúcemu k jednému z analógových portov Arduina. Potom paralelne pridajte odpor 10 kiloohmov a pripojte odpor k uzemňovaciemu spojeniu Arduina. Posledný obrázok koncepčne ukazuje, ako by sa tieto spojenia dali vytvoriť (kredit na circuit.io).

Krok 11: Pripojte všetky komponenty k Arduinu

Pripojte počítač k Arduinu a nahrajte doň priložený kód. Hneď ako si stiahnete kód, môžete ho prispôsobiť svojim požiadavkám a preferenciám. V súčasnosti Arduino vykoná 125 meraní pri každom spustení (tieto merania na konci tiež spriemeruje) a jeho analógový vstupný signál vedie k A2. V hornej časti kódu môžete zmeniť názov vzorky a dátum ukážky. Výsledky zobrazíte stlačením tlačidla sériového monitora v pravom hornom rohu desktopového rozhrania Arduino.

Aj keď je to trochu chaotické, môžete vidieť, ako som skončil s prepojením jednotlivých komponentov obvodu Arduino. Použil som dve doštičky, ale pokojne si vystačíte iba s jedným. Môj svetelný zdroj LED je navyše pripojený k Arduinu, ale ak chcete, môžete na to použiť iný napájací zdroj.

Krok 12: Umiestnite držiak vzoriek do puzdra schránky na súbory

Posledným krokom pri vytváraní vášho domáceho spektrofotometra je umiestnenie držiaka vzorky do puzdra schránky. V škatuli so súbormi som vyrezal malú štrbinu, ktorou prevlečiem vodiče z fotorezistora. K tomuto poslednému kroku som pristupoval viac ako k umeniu než k vede, pretože predchádzajúce umiestnenie každej súčasti systému ovplyvní umiestnenie držiaka vzorky v kryte schránky. Umiestnite držiak vzorky tak, aby ste mohli zarovnať štrbinu v držiaku vzorky s individuálnou farbou svetla. Môžete napríklad umiestniť Arduino tak, aby oranžové svetlo a zelené svetlo dopadalo na obidve strany štrbiny, zatiaľ čo štrbinou k fotorezistoru prechádza iba žlté svetlo. Akonáhle nájdete miesto, kde štrbinou v držiaku vzorky prechádza iba jedna farba svetla, posuňte držiak vzorky laterálne, aby ste identifikovali zodpovedajúce miesta pre každú inú farbu (pamätajte, ROYGBV). Ceruzkou nakreslite rovné čiary pozdĺž spodnej časti puzdra škatule a označte miesta, kde je k fotorezistoru schopná dosiahnuť iba jedna farba svetla. Prelepil som dva bloky Jenga pred a za držiak vzorky, aby som sa ubezpečil, že sa pri čítaní neodchyľujem od týchto označení.

Krok 13: Otestujte si svoj domáci spektrofotometer - vytvorte si spektrum

Vykonal som niekoľko testov s domácim spektrofotometrom. Ako environmentálneho inžiniera ma zaujíma kvalita vody a odoberal som vzorky vody z malého potoka pri mojom dome. Pri odbere vzoriek je dôležité, aby ste používali čistú nádobu a pri vzorkovaní stáli za nádobou. Postavenie za vzorku (t. J. Za zberné miesto) pomáha predchádzať kontaminácii vašej vzorky a znižuje mieru, ktorou vaša aktivita v prúde ovplyvňuje vzorku. Do jednej vzorky (vzorka A) som pridal malé množstvo Miracle-Gro (množstvo vhodné pre izbové rastliny vzhľadom na môj objem vzorky) a do druhej vzorky som nič nepridal (vzorka B). Tieto vzorky som nechal sedieť v dobre osvetlenej miestnosti bez veka, aby sa umožnila fotosyntéza (pričom viečka nie sú povolené na výmenu plynu). Ako vidíte, na obrázkoch bola vzorka, ktorá bola doplnená prípravkom Miracle-Gro, nasýtená zelenými platonickými riasami, zatiaľ čo vzorka bez prípravku Miracle-Gro nezaznamenala žiadny významný rast asi po 15 dňoch. Potom, čo bol nasýtený riasami, som zriedil časť vzorky A v 50 ml kónických skúmavkách a nechal som ich v tej istej dobre osvetlenej miestnosti bez viečok. Približne o 5 dní neskôr už boli zreteľné rozdiely v ich farbe, čo naznačuje rast rias. Všimnite si toho, že jedno zo štyroch riedení sa pri tom bohužiaľ stratilo.

Existujú rôzne druhy rias, ktoré rastú v znečistených sladkých vodách. Odfotil som riasy pomocou mikroskopu a verím, že sú buď chlorococcum alebo chlorella. Zdá sa, že je prítomný aj najmenej jeden ďalší druh rias. Dajte mi prosím vedieť, či dokážete tieto druhy identifikovať!

Po pestovaní rias vo vzorke A som vzal jej malú vzorku a pridal som ju do skúmavky v domácom spektrofotometri. Zaznamenal som výstupy Arduina pre každú farbu svetla a priradil každý výstup k priemernej vlnovej dĺžke každého farebného rozsahu. To je:

Červené svetlo = 685 nm

Oranžové svetlo = 605 nm

Žlté svetlo = 580 nm

Zelené svetlo = 532,5 nm

Modré svetlo = 472,5 nm

Fialové svetlo = 415 nm

Tiež som zaznamenal výstupy Arduina pre každú farbu svetla, keď bola do držiaka vzorky umiestnená vzorka vody Deer Park.

Pomocou Beerovho zákona som vypočítal hodnotu absorbancie pre každé meranie tak, že som vzal logaritmus bázy 10 kvocientu absorbancie vody Deep Park delený absorbanciou vzorky A. Hodnoty absorbancie som posunul tak, aby bola absorbancia najnižšej hodnoty nulová, a vynesol som výsledky. Tieto výsledky môžete porovnať so spektrom absorbancie bežných pigmentov (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.), Aby ste sa pokúsili uhádnuť typy pigmentov obsiahnuté vo vzorke rias.

Krok 14: Otestujte si svoj domáci spektrofotometer - experiment s dezinfekciou

S domácim spektrofotometrom môžete vykonávať množstvo rôznych činností. Tu som vykonal experiment, aby som zistil, ako sa riasy rozpadajú, keď sú vystavené rôznym koncentráciám bielidla. Použil som výrobok s koncentráciou chlórnanu sodného (t.j. bielidla) 2,40%. Začal som pridaním 50 ml vzorky A do 50 ml kónických skúmaviek. Potom som do vzoriek pridal rôzne množstvá roztoku bielidla a vykonal som meranie pomocou spektrofotometra. Pridanie 4 ml a 2 ml roztoku bielidla do vzoriek spôsobilo, že vzorky sa takmer okamžite vyčistili, čo svedčí o takmer okamžitej dezinfekcii a deaktivácii rias. Pridanie iba 1 ml a 0,5 ml (približne 15 kvapiek z pipety) bieliaceho roztoku do vzoriek poskytlo dostatok času na vykonanie meraní pomocou domáceho spektrofotometra a rozpadu modelu ako funkcie času. Predtým som to urobil v poslednom kroku na zostrojenie spektra bieliaceho roztoku a určil som, že vlnová dĺžka roztoku pri červenom svetle je dostatočne nízka, aby dochádzalo k minimálnej interferencii s aproximáciou deaktivácie rias pomocou absorbancie na vlnových dĺžkach červenej. svetlo. Pri červenom svetle bola hodnota pozadia z Arduina 535 [-]. Vykonanie niekoľkých meraní a použitie Beerovho zákona mi umožnilo zostrojiť dve zobrazené krivky. Hodnoty absorbancie boli posunuté tak, aby najnižšia absorbovaná hodnota bola 0.

Ak je k dispozícii hemocytometer, budúce experimenty by sa mohli použiť na vývoj lineárnej regresie, ktorá súvisí s absorbanciou s koncentráciou buniek vo vzorke A. Tento vzťah by sa potom mohol použiť vo Watsonovej-Crickovej rovnici na stanovenie hodnoty CT na deaktiváciu rias pomocou bielidla..

Krok 15: Kľúčové informácie

Prostredníctvom tohto projektu som rozšíril svoje znalosti o zásadách zásadných z environmentálnej biológie a ekológie. Tento experiment mi umožnil ďalej rozvíjať svoje chápanie kinetiky rastu a rozpadu fotoautotrofov vo vodnom prostredí. Okrem toho som si precvičil techniky vzorkovania a analýzy životného prostredia, pričom som sa dozvedel viac o mechanizmoch, ktoré umožňujú fungovanie nástrojov, ako sú spektrofotometre. Pri analýze vzoriek pod mikroskopom som sa dozvedel viac o mikroprostredí organizmov a zoznámil som sa s fyzickými štruktúrami jednotlivých druhov.