Spectrofotometru de bloc Jenga de casă pentru experimente cu alge: 15 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

Algele sunt protiste fotosintetice și, ca atare, sunt organisme critice din lanțurile alimentare acvatice. Cu toate acestea, în lunile de primăvară și vară, acestea și alte microorganisme se pot înmulți și copleși resursele naturale de apă, rezultând în epuizarea oxigenului și producerea de substanțe toxice. Înțelegerea ritmului la care cresc aceste organisme poate fi utilă în protejarea resurselor de apă, precum și dezvoltarea tehnologiilor care le valorifică puterea. În plus, înțelegerea ratei la care aceste organisme sunt dezactivate poate fi utilă în tratarea apei și a apelor uzate. În această investigație, voi încerca să construiesc un spectrofotometru cu costuri reduse pentru a analiza ratele de descompunere ale organismelor expuse la înălbitor de clor în apa eșantionată din Park Creek din Horsham, Pennsylvania. Un eșantion de apă de pârâu colectat de pe sit va fi fertilizat cu un amestec de nutrienți și lăsat în lumina soarelui pentru a favoriza creșterea algelor. Spectrofotometrul de casă va permite luminii la lungimi de undă discrete să treacă printr-o fiolă a probei înainte de a fi detectată de un fotorezistor conectat la un circuit Arduino. Pe măsură ce densitatea organismelor din probă crește, se așteaptă să crească cantitatea de lumină absorbită de probă. Acest exercițiu va pune accentul pe concepte în electronică, optică, biologie, ecologie și matematică.

Am dezvoltat ideea pentru spectrofotometrul meu din „Spectrofotometrul studențesc” de Satchelfrost și lucrarea „A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer” de Daniel R. Albert, Michael A. Todt și H. Floyd Davis.

Pasul 1: Creați cadrul de cale lumină

Primul pas al acestui instructabil este de a crea un cadru de cale ușoară din șase blocuri și benzi Jenga. Cadrul luminii va fi utilizat pentru poziționarea și susținerea sursei de lumină, a dispozitivului de mărire și a grilei de difracție a CD-ului. Creați două benzi lungi prin lipirea a trei blocuri Jenga într-o linie, așa cum se arată în prima imagine. Înregistrați aceste benzi împreună așa cum se arată în a doua fotografie.

Pasul 2: Creați o bază pentru dispozitivul dvs. de mărire și atașați-o la cadrul Calea luminii

Dispozitivul de mărire va fi fixat pe cadrul traseului luminii și va concentra lumina emisă de LED înainte de a se distinge de pe CD. Înregistrați împreună două blocuri Jenga astfel încât mijlocul unui bloc să fie în unghi drept față de capătul unui alt bloc, așa cum se arată în prima imagine. Atașați dispozitivul de mărire la această bază folosind bandă, așa cum se arată în a treia imagine. Am folosit o lupă mică, ieftină, pe care o am de câțiva ani. După ce am atașat dispozitivul de mărire la baza acestuia, am lipit dispozitivul de mărire pe cadrul traseului luminii. Mi-am poziționat dispozitivul de mărire la 13,5 cm distanță de marginea cadrului luminii, dar poate fi necesar să vă fixați dispozitivul într-o poziție diferită în funcție de distanța focală a lupei.

Pasul 3: Creați-vă sursa de lumină

Pentru a limita cantitatea de lumină neconcentrată care poate ajunge la rețeaua de difracție a CD-ului și la fotorezistor, am folosit bandă electrică pentru a fixa un bec LED alb în interiorul unui capac de stilou negru care avea o gaură mică în partea superioară. Prima imagine arată LED-ul, a doua imagine arată capacul cu stilou cu bandă LED. Am folosit bucăți mici de bandă electrică pentru a împiedica lumina să strălucească din spatele LED-ului unde sunt firele anodice și catodice.

După crearea capacului LED-pen, am atașat LED-ul la un rezistor de 220 ohmi și la o sursă de alimentare. Am conectat LED-ul la un microcontroler Arduino Uno de 5V și conexiuni la masă, dar s-ar putea folosi orice sursă externă de curent continuu. Rezistorul este important pentru a preveni arderea luminii LED.

Pasul 4: fixați sursa de lumină pe cadrul căii de lumină

Înregistrați un alt bloc Jenga aproape de capătul cadrului de lumină pentru a oferi o platformă pentru sursa de lumină. În setarea mea, blocul Jenga care susține sursa de lumină a fost poziționat la aproximativ 4 cm de marginea cadrului căii de lumină. Așa cum se arată în a doua imagine, amplasarea corectă a sursei de lumină este de așa natură încât fasciculul de lumină să se concentreze prin dispozitivul de mărire la capătul opus al cadrului traseului luminii unde va fi grila de difracție a CD-ului.

Pasul 5: Plasați cadrul Calea luminii, dispozitivul de mărire și sursa de lumină în carcasa casetei de fișiere

Utilizați o cutie de fișiere sau un alt recipient sigilabil cu laturi opace ca carcasă pentru a ține fiecare dintre componentele spectrofotometrului. Așa cum se arată în figură, am folosit bandă pentru a fixa cadrul traseului luminii, dispozitivul de mărire și sursa de lumină în carcasa cutiei de fișiere. Am folosit un bloc Jenga pentru spațierea cadrului de lumină la aproximativ 2,5 cm distanță de marginea peretelui interior al cutiei de fișiere (blocul Jenga a fost utilizat exclusiv pentru spațiere și a fost ulterior îndepărtat).

Pasul 6: Tăiați și poziționați grătarul CD Diffraction

Folosiți un cuțit hobby sau foarfece pentru a tăia un CD într-un pătrat cu fața reflectorizantă și laturile de aproximativ 2,5 cm lungime. Folosiți bandă pentru a atașa CD-ul la blocul Jenga. Jucați-vă cu poziționarea blocului Jenga și a grilei de difracție a CD-ului pentru a-l poziționa astfel încât să proiecteze un curcubeu pe peretele opus al carcasei cutiei de fișiere atunci când lumina de la sursa LED o lovește. Imaginile atașate arată cum am poziționat aceste componente. Este important ca curcubeul proiectat să fie relativ nivelat așa cum se arată în ultima imagine. O schiță de riglă și creion pe interiorul peretelui cutiei de fișiere poate ajuta la stabilirea momentului în care proiecția este la nivel.

Pasul 7: Creați suportul de probă

Imprimați documentul atașat și lipiți sau lipiți hârtia pe o bucată de carton. Folosiți o foarfecă sau un cuțit hobby pentru a tăia cartonul în formă de cruce. Scorați cartonul de-a lungul liniilor imprimate în centrul crucii. În plus, tăiați fante mici la înălțimi egale în mijlocul celor două brațe ale crucii de carton, așa cum se arată; aceste fante vor permite ca lungimile de undă discrete ale luminii să treacă prin probă către fotorezistor. Am folosit bandă pentru a face cartonul mai robust. Îndoiți cartonul de-a lungul scorurilor și lipiți-l astfel încât să se formeze un suport dreptunghiular pentru probă. Suportul pentru probă trebuie să se potrivească strâns în jurul unei eprubete de sticlă.

Pasul 8: Creați și atașați o bază pentru suportul probei

Lipiți împreună trei blocuri Jenga și atașați ansamblul la suportul probei așa cum se arată. Asigurați-vă că accesoriul este suficient de puternic încât suportul de probă din carton să nu se separe de baza blocului Jenga atunci când eprubeta este scoasă din suportul de probă.

Pasul 9: Adăugați rezistorul fotorezistent în suportul probei

Fotorezistenții sunt fotoconductori și scad cantitatea de rezistență pe care o oferă pe măsură ce intensitatea luminii crește. Am înregistrat fotorezistorul într-o carcasă mică din lemn, dar carcasa nu este necesară. Înregistrați fotorezistorul din spate astfel încât fața sa de detectare să fie poziționată direct împotriva fantei tăiată în suportul probei. Încercați să poziționați fotorezistorul astfel încât să atingă cât mai multă lumină după ce ați trecut prin eșantion și prin fantele suportului de eșantion.

Pasul 10: conectați fotorezistorul

Pentru a conecta fotorezistorul în circuitul Arduino, am tăiat și am dezbrăcat mai întâi firele unui vechi cablu de imprimantă USB. Am lipit trei blocuri împreună așa cum se arată, apoi am atașat firele dezbrăcate la această bază. Folosind două îmbinări, am conectat cablurile cablului imprimantei USB la terminalele fotorezistorului și am lipit bazele împreună pentru a forma o unitate (așa cum se arată în imaginea a patra). Orice fir lung poate fi utilizat în locul firelor cablului imprimantei.

Conectați un fir care emană de la fotorezistență la puterea de 5V a Arduino. Conectați celălalt fir de la fotorezistor la un fir care duce la unul dintre porturile analogice ale Arduino. Apoi, adăugați un rezistor de 10 kilo-ohm în paralel și conectați rezistorul la conexiunea la sol a Arduino. Ultima figură arată conceptual cum ar putea fi realizate aceste conexiuni (credit la circuit.io).

Pasul 11: Conectați toate componentele la Arduino

Conectați computerul la Arduino și încărcați codul atașat la acesta. După ce ați descărcat codul, îl puteți ajusta pentru a se potrivi nevoilor și preferințelor dvs. În prezent, Arduino ia 125 de măsurători de fiecare dată când este rulat (de asemenea, face o medie a acestor măsurători la sfârșit), iar semnalul său analogic duce la A2. În partea de sus a codului, puteți schimba numele eșantionului și data eșantionului. Pentru a vizualiza rezultatele, apăsați butonul monitorului serial din partea dreaptă sus a interfeței desktop Arduino.

Deși este un pic dezordonat, puteți vedea cum am ajuns să conectez fiecare componentă a circuitului Arduino. Am folosit două panouri, dar ai putea face cu ușurință doar cu una. În plus, sursa mea de lumină LED este conectată la Arduino, dar puteți utiliza o sursă de alimentare diferită, dacă doriți.

Pasul 12: Plasați suportul de probă în carcasa cutiei de fișiere

Ultimul pas în crearea spectrofotometrului de casă este plasarea suportului probei în carcasa cutiei de fișiere. Am tăiat o mică fantă în cutia de fișiere pentru a trece firele din fotorezistor. Am tratat acest ultim pas ca fiind mai mult o artă decât o știință, deoarece amplasarea prealabilă a fiecărei componente a sistemului va afecta poziționarea suportului probei în carcasa cutiei de fișiere. Poziționați suportul pentru probă astfel încât să puteți alinia fanta în suportul pentru probă cu o culoare individuală de lumină. De exemplu, puteți poziționa Arduino astfel încât lumina portocalie și lumina verde să se proiecteze pe ambele părți ale fantei, în timp ce numai lumina galbenă trece prin fanta către fotorezistor. După ce ați găsit o locație în care doar o singură culoare pentru lumină trece prin fanta din suportul probei, mutați suportul probei lateral pentru a identifica locațiile corespunzătoare pentru fiecare altă culoare (amintiți-vă, ROYGBV). Utilizați un creion pentru a desena linii drepte de-a lungul fundului carcasei cutiei de fișiere pentru a marca locațiile în care o singură culoare de lumină poate ajunge la fotorezistor. Am înregistrat două blocuri Jenga în fața și în spatele suportului probei pentru a mă asigura că nu m-am abătut de la aceste marcaje atunci când făceam citiri.

Pasul 13: Testați-vă spectrofotometrul de casă - Creați un spectru

Am efectuat mai multe teste cu spectrofotometrul meu de casă. Ca inginer de mediu, mă interesează calitatea apei și am luat probe de apă dintr-un mic pârâu de lângă casa mea. Când luați probe, este important să utilizați un recipient curat și să stați în spatele containerului în timp ce prelevați probele. Stând în spatele eșantionului (adică în aval de punctul de colectare) ajută la prevenirea contaminării eșantionului și reduce gradul de activitate în flux care afectează eșantionul. Într-un eșantion (eșantionul A), am adăugat o cantitate mică de Miracle-Gro (cantitatea adecvată pentru plantele de interior, având în vedere volumul meu de eșantion), iar în cealaltă eșantion nu am adăugat nimic (eșantionul B). Am lăsat aceste mostre să stea într-o cameră bine luminată, fără capacele lor, pentru a permite fotosinteza (păstrarea capacelor oprite pentru schimbul de gaze). După cum puteți vedea, în imagini, proba care a fost completată cu Miracle-Gro a devenit saturată cu alge platonice verzi, în timp ce proba fără Miracle-Gro nu a cunoscut nicio creștere semnificativă după aproximativ 15 zile. După ce a fost saturat cu alge, am diluat o parte din eșantionul A în tuburi conice de 50 ml și le-am lăsat în aceeași cameră bine luminată, fără capacele lor. Aproximativ 5 zile mai târziu, au existat deja diferențe notabile în culoarea lor, indicând creșterea algelor. Rețineți că una dintre cele patru diluții a fost din păcate pierdută în acest proces.

Există diferite tipuri de specii de alge care cresc în apele dulci poluate. Am făcut fotografii ale algelor folosind un microscop și cred că sunt fie chlorococcum, fie chlorella. Se pare că există cel puțin o altă specie de alge. Vă rog să-mi spuneți dacă puteți identifica aceste specii!

După ce am crescut algele din eșantionul A, am luat o mică probă din ea și am adăugat-o în eprubeta din spectrofotometrul de casă. Am înregistrat ieșirile Arduino pentru fiecare culoare a luminii și am asociat fiecare ieșire cu lungimea de undă medie a fiecărei game de culori. Acesta este:

Lumină roșie = 685 nm

Lumina portocalie = 605 nm

Lumina galbenă = 580 nm

Lumina verde = 532,5 nm

Lumina albastră = 472,5 nm

Lumină violetă = 415 nm

De asemenea, am înregistrat ieșirile Arduino pentru fiecare culoare de lumină atunci când un suport de apă Deer Park a fost plasat în suportul pentru probă.

Folosind Legea lui Beer, am calculat valoarea absorbanței pentru fiecare măsurătoare luând logaritmul de bază 10 al coeficientului de absorbanță a apei Deep Park împărțit la absorbția probei A. Am schimbat valorile absorbantei astfel încât absorbanța celei mai mici valori să fie zero și am trasat rezultatele. Puteți compara aceste rezultate cu spectrul de absorbanță al pigmenților comuni (Sahoo, D. și Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) Pentru a încerca să ghiciți tipurile de pigmenți. conținute în proba de alge.

Pasul 14: Testează-ți spectrofotometrul de casă - Experiment de dezinfecție

Cu spectrofotometrul de casă puteți efectua o varietate de activități diferite. Aici am efectuat un experiment pentru a vedea cum se descompun algele atunci când sunt expuse la diferite concentrații de înălbitor. Am folosit un produs cu o concentrație de hipoclorit de sodiu (adică înălbitor) de 2,40%. Am început prin adăugarea a 50 ml de probă A la 50 ml tuburi conice. Am adăugat apoi cantități diferite de soluție de înălbitor la probe și am luat măsurători folosind spectrofotometrul. Adăugarea a 4 ml și 2 ml de soluție de înălbitor la probe a făcut ca probele să devină limpezi aproape imediat, indicând dezinfectarea și dezactivarea aproape imediată a algelor. Adăugarea la probe a 1 ml și 0,5 ml (aproximativ 15 picături dintr-o pipetă) de soluție de înălbitor, a permis suficient timp pentru efectuarea măsurătorilor folosind spectrofotometrul de casă și modelarea decăderii în funcție de timp. Înainte de a face acest lucru, am folosit procedura din ultimul pas pentru a construi un spectru pentru soluția de înălbitor și am stabilit că lungimea de undă a soluției la lumina roșie era suficient de mică încât să existe puține interferențe cu aproximarea dezactivării algelor utilizând absorbanța la lungimile de undă ale roșu. ușoară. La lumina roșie, fundalul citit din Arduino era 535 [-]. Luarea mai multor măsurători și aplicarea legii lui Beer mi-au permis să construiesc cele două curbe arătate. Rețineți că valorile absorbantei au fost deplasate astfel încât cea mai mică valoare absorbită să fie 0.

Dacă este disponibil un hemocitometru, s-ar putea folosi experimente viitoare pentru a dezvolta o regresie liniară care să coreleze absorbanța cu concentrația celulară din eșantionul A. Această relație ar putea fi apoi utilizată în ecuația Watson-Crick pentru a determina valoarea CT pentru dezactivarea algelor folosind înălbitor..

Pasul 15: cheie pentru a lua

Prin acest proiect, mi-am dezvoltat cunoștințele despre principiile fundamentale pentru biologia și ecologia mediului. Acest experiment mi-a permis să-mi dezvolt în continuare înțelegerea cineticii de creștere și descompunere a fotoautotrofelor în mediile acvatice. În plus, am practicat tehnici de eșantionare și analiză a mediului în timp ce învățam mai multe despre mecanismele care permit instrumentelor precum spectrofotometrele să funcționeze. În timp ce analizau probele la microscop, am aflat mai multe despre microambientele organismelor și m-am familiarizat cu structurile fizice ale speciilor individuale.