Papierová chromatografia/UV-Vis experiment s Arduinom: 10 krokov

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2025-01-23 15:05

Tento experiment používa mikroprocesor Arduino spolu s domácimi potrebami na vykonanie experimentu s papierovou chromatografiou a analýzu výsledkov pomocou techniky podobnej spektroskopii s ultrafialovým žiarením (UV-Vis). Tento experiment má replikovať niekoľko aspektov zariadenia HPLC (High Performance Liquid Chromatography), ako je chromatografická separácia a UV-Vis detekcia. S týmto experimentom sa naučíte mnoho vedeckých techník, rovnako ako sa naučíte o mikroprocesore Arduino.

Krok 1: Ukážka videa

Krok 2: Účel

Účelom tohto experimentu je replikovať niektoré funkcie prístroja HPLC. HPLC oddeľuje zlúčeniny pomocou kvapalinovej chromatografie a ako detektor používa UV-Vis. V tomto experimente budú tieto dve funkcie vykonávané oddelene. Papierová chromatografia bude predstavovať kvapalinovú chromatografiu v rámci HPLC a bude sa používať na separáciu zmesí potravinárskych farbív. Oddelené farbivá sa potom použijú na vytvorenie vzoriek, ktoré sa budú analyzovať technikou podobnou UV-Vis spektroskopii. Vytvorí sa zjednodušená verzia zariadenia UV-Vis, ktorá bude predstavovať detektor HPLC. S týmto experimentom sa dozviete o chromatografii, UV-Vis spektroskopii, funkciách HPLC nástrojov a mikroprocesore Arduino Uno.

Krok 3: Zhromaždite tieto zásoby

Papierová chromatografia:

• Papierové utierky (~ 1-2 doláre za kotúč)
• Špáradlá (~ 3 doláre za škatuľku)
• Potravinárske farby (~ 4 doláre za škatuľu)
• Izopropylalkohol (asi 3 doláre za fľašu)
• Zošívačka
• Ceruzka
• Vládca
• pohár
• Voda
• Nožnice
• Plastový obal

Dodávky Arduino:

• Arduino Uno alebo podobný mikroprocesor (~ 15 dolárov)
• Fotorezistor
• Rezistor (10 K ohmov)
• Drôty (muž-muž)
• Breadboard (~ 5 dolárov)

Dodávky nástrojov:

• Baterka
• V tomto prípade sa používa určitý typ injekčnej striekačky z číreho skla
• Polystyrénový kus s dierou uprostred
• Rolka od toaletného papiera
• Lepiaca páska

Krok 4: Vykonajte papierovú chromatografiu a vytvorte vzorky

Papierová chromatografia:

1. Z papierovej utierky vystrihnite zhruba 4x6 palcový obdĺžnik.
2. Ceruzkou a pravítkom nakreslite rovnú čiaru rovnobežnú s dlhším okrajom papierovej utierky 1 palec zospodu.
3. Ceruzkou nakreslite X po tejto čiare zhruba od 1/2 do 3/4 palca od seba.
4. Vytvorte zmesi potravinárskych farbív (modrá+žltá, modrá+červená, červená+žltá).
5. Špáradlom napichnite zmesi potravinárskych farieb a čisté potravinárske farby na nakreslené X. Každá farba alebo zmes bude bodkovaná na svoje vlastné X. Nechajte uschnúť.
6. Papierovú utierku zrolujte do valca a kratšie strany spojte. Tento valec zošite dohromady, pričom medzi dvoma stranami papierovej utierky zostane malá medzera.
7. Pridajte zhruba 1/4 palca vody do šálky, do ktorej sa zmestí valec, ktorý ste vytvorili.
8. Vložte valec do pohára bodkovanou stranou najbližšie k vode.
9. Uvidíte, ako sa voda vstrebáva do papierovej utierky, a potravinárske farby začnú cestovať po papierovej utierke.
10. Akonáhle vodná čiara na papierovej utierke dosiahne asi 3/4 palca zhora, vyberte papierovú utierku z pohára. Odstráňte sponky a nechajte uschnúť naplocho na ďalšej papierovej utierke.

Vytváranie ukážok:

1. Akonáhle je papierová utierka suchá, vystrihnite rôzne farebné škvrny zo zmesí aj čistého potravinárskeho farbiva.
2. Pridajte tieto vystrihnuté miesta do izopropylalkoholu (trenia) alkoholu.
3. Zakryte to plastovým obalom a nechajte vsiaknuť, kým z papierovej utierky neodstránite väčšinu farby.
4. Toto budú vzorky, ktoré budú analyzované pomocou UV-Vis spektroskopie.

Krok 5: Zostavte elektroniku

Podľa schémy zapojenia a obrázku nastavenia dosky zapojte dosku chleba k Arduinu.

Na Arduine budete používať nasledovné:

• Výstup 5 V.
• Zem
• Výstup A0

Budete používať nasledujúce diely:

• Samec-samec drôtov
• Rezistor 10 K ohmov
• Fotorezistor

Krok 6: Zostavte nástroj

1. Vytvorte držiak vzorky

   • Použite kúsok polystyrénu s otvorom v strede, ktorý je dostatočne veľký na to, aby pojal vašu vzorku.
   • Do strán polystyrénu urobte otvory dostatočne široké na umiestnenie fotorezistora. Ďalším otvorom bude vstup svetla.
   • Nastavte to na dosku s fotoodporom v jednom z otvorov.

2. Vytvorte trubicu, ktorá blokuje okolité svetlo

   • Použite kotúč toaletného papiera a lepiacu pásku, horný koniec zatvorený.
   • Toto bude pri meraní sedieť nad držiakom vzorky, aby sa znížilo množstvo nežiaduceho svetla.

Krok 7: Naprogramujte nástroj

1. Použite poskytnutý kód (UV_Vis_readings).
2. Overte kód.
3. Nahrajte kód do Arduina.
4. Skontrolujte, či funkcia sériového monitora funguje, a zistite, či sú prítomné väčšie čísla, keď je fotoodpor vystavený svetlu, a menšie čísla, ak je odpor v tme.

Krok 8: Otestujte prístroj

1. Do sklenenej skúmavky alebo injekčnej striekačky nalejte izopropylalkohol.
2. Skúmavku vložte do držiaka na vzorky a uistite sa, že je zarovnaná s otvormi v penovom polystyréne.
3. Umiestnite baterku so svetlom vstupujúcim do jedného z otvorov.
4. Na vrch položte rolku toaletného papiera, aby ste zablokovali ďalšie svetlo.
5. Zapnite SerialMonitor a zaznamenajte meranie, keď bude stabilné.
6. Táto hodnota je priepustnosť, ale je potrebné ju previesť.
7. Vynásobením hodnoty (5/1024) získate skutočnú priepustnosť (T).
8. Na získanie absorbancie vykonajte nasledujúci výpočet: Absorbancia = log (1/T).
9. Toto je hodnota medzery.
10. Kroky 1-8 zopakujte pre každú oddelenú vzorku.
11. Od týchto hodnôt odpočítajte absorbanciu slepého pokusu, aby ste zohľadnili svetlo pozadia.
12. Porovnajte absorbancie - vidíte nejaké trendy? Mali intenzívnejšie škvrny vyššiu alebo nižšiu absorpciu?

Krok 9: Vylepšenia

Rôzne materiály:

• Kávové filtre by boli dobrou náhradou papierových utierok.
• Do kódu by sa dala naprogramovať LED žiarovka, ktorá by slúžila ako zdrojové svetlo, nie ako baterka.
• Namiesto sklenenej injekčnej striekačky je možné použiť skúmavky.

Zlepšenie separácie:

Na zlepšenie separácie potravinárskych farieb je možné počas papierovej chromatografie použiť rôzne rozpúšťadlá. To sa dá otestovať tak, že sa zistí, akými rozpúšťadlami je separácia farieb v potravinárskych farebných zmesiach zrejmejšia. Tiež bolo možné testovať rôzne pomery zmesí rozpúšťadiel

Ďalšie aplikácie:

• Podobný experiment je možné vykonať oddelením pigmentov od rastlín.
• Testovať bolo možné aj iné farebné látky.

Krok 10: Referencie

Inšpirácia pre tento projekt pochádza z nasledujúcich zdrojov:

www.purdue.edu/science/science-express/lab…

www.scientificamerican.com/article/chromat…

Inšpirácia pre nastavenie dosky a kód pochádza z:

www.instructables.com/id/How-to-use-a-phot…

create.arduino.cc/projecthub/Ayeon0122/rea…