Naminis „Jenga Block“spektrofotometras dumblių eksperimentams: 15 žingsnių

2025 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2025-01-23 14:58

Dumbliai yra fotosintezės protistai ir todėl yra kritiniai organizmai vandens maisto grandinėse. Tačiau pavasario ir vasaros mėnesiais šie ir kiti mikroorganizmai gali padauginti ir užgožti natūralius vandens išteklius, todėl gali sumažėti deguonies ir susidaryti toksiškų medžiagų. Šių organizmų augimo greičio supratimas gali būti naudingas saugant vandens išteklius ir kuriant jų galią panaudojančias technologijas. Be to, suprasti šių organizmų deaktyvavimo greitį gali būti naudinga valant vandenį ir nuotekas. Šiame tyrime bandysiu sukurti pigų spektrofotometrą, kad išanalizuotų chloro baliklio paveiktų organizmų skilimo greitį vandenyje, paimtame iš Park Creek, Horsham, Pensilvanija. Iš vietos surinktas upelio vandens mėginys bus patręštas maistinių medžiagų mišiniu ir paliktas saulės šviesoje, kad paskatintų dumblių augimą. Namų spektrofotometras leis diskretiškos bangos ilgio šviesai praeiti pro mėginio buteliuką, prieš tai aptikdamas fotorezistorius, prijungtas prie „Arduino“grandinės. Didėjant organizmo tankiui mėginyje, tikimasi, kad mėginyje sugertos šviesos kiekis padidės. Šis pratimas akcentuos elektronikos, optikos, biologijos, ekologijos ir matematikos sąvokas.

Savo spektrofotometro idėją sukūriau iš „Satchelfrost“mokomo „Student Spectrophotometer“ir Daniel R. Albert, Michael A. Todt ir H. Floyd Davis popieriaus „A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer“.

1 žingsnis: sukurkite savo šviesos kelio rėmelį

Pirmasis šios instrukcijos žingsnis yra sukurti šviesos kelio rėmą iš šešių „Jenga“blokų ir juostos. Šviesos kelio rėmas bus naudojamas šviesos šaltiniui, didinimo įtaisui ir CD difrakcijos grotelėms išdėstyti ir palaikyti. Sukurkite dvi ilgas juosteles, užklijuodami tris „Jenga“blokus eilutėje, kaip parodyta pirmame paveikslėlyje. Užklijuokite šias juosteles, kaip parodyta antroje nuotraukoje.

2 veiksmas: sukurkite pagrindą padidinimo įrenginiui ir pritvirtinkite jį prie šviesos kelio rėmo

Padidinimo įtaisas bus pritvirtintas prie šviesos kelio rėmo ir sutelks šviesos diodo skleidžiamą šviesą prieš išsklaidant kompaktinį diską. Užklijuokite du „Jenga“blokus taip, kad vieno bloko vidurys būtų stačiu kampu prieš kito bloko galą, kaip parodyta pirmame paveikslėlyje. Pritvirtinkite didinimo įtaisą prie šio pagrindo naudodami juostą, kaip parodyta trečiame paveikslėlyje. Aš naudojau mažą, nebrangų padidinamąjį stiklą, kurį turiu keletą metų. Pritvirtinus didinimo įtaisą prie jo pagrindo, priklijavau didinimo įtaisą prie šviesos kelio rėmo. Padidinimo įtaisą pastatiau 13,5 cm atstumu nuo šviesos kelio rėmo krašto, tačiau gali tekti pataisyti prietaisą kitoje padėtyje, atsižvelgiant į didinamojo stiklo židinio nuotolį.

3 žingsnis: sukurkite savo šviesos šaltinį

Norėdami apriboti nekoncentruotos šviesos kiekį, kuris gali pasiekti kompaktinių diskų difrakcijos groteles ir fotorezistorių, aš naudoju elektrinę juostą, kad pritvirtinčiau baltą LED lemputę juodo rašiklio dangtelio viduje, kurio viršuje buvo maža skylė. Pirmajame paveikslėlyje rodomas šviesos diodas, antrame-lipnus LED rašiklio dangtelis. Aš naudoju mažus elektros juostos gabalus, kad šviesa nešviestų iš šviesos diodo galinės dalies, kur yra anodo ir katodo laidai.

Sukūręs LED rašiklio dangtelį, prijungiau šviesos diodą prie 220 omų rezistoriaus ir maitinimo šaltinio. Prijungiau šviesos diodą prie „Arduino Uno“mikrovaldiklio 5 V ir įžeminimo jungčių, tačiau galima naudoti bet kokį išorinį nuolatinės srovės maitinimo šaltinį. Rezistorius yra svarbus, kad LED lemputė neišdegtų.

4 žingsnis: pritvirtinkite šviesos šaltinį prie šviesos kelio rėmo

Užklijuokite kitą „Jenga“bloką šalia šviesos kelio rėmo galo, kad sukurtumėte platformą šviesos šaltiniui. Mano sąrankoje „Jenga“blokas, palaikantis šviesos šaltinį, buvo išdėstytas maždaug 4 cm atstumu nuo šviesos kelio rėmo krašto. Kaip parodyta antrame paveikslėlyje, teisingas šviesos šaltinio išdėstymas yra toks, kad šviesos pluoštas fokusuoja per didinimo įtaisą, esantį priešingame šviesos kelio rėmo gale, kur bus CD difrakcijos grotelės.

5 veiksmas: įdėkite šviesos kelio rėmą, didinimo įrenginį ir šviesos šaltinį į failų dėžutės korpusą

Kiekvienam spektrofotometro komponentui laikyti kaip apvalkalą naudokite failų dėžutę arba kitą sandarų indą su nepermatomais šonais. Kaip parodyta paveikslėlyje, aš naudoju juostą, kad pritvirtinčiau šviesos kelio rėmą, padidinimo įtaisą ir šviesos šaltinį failų dėžės korpuse. Aš panaudojau vieną „Jenga“bloką, kad atstumčiau šviesos kelio rėmą maždaug 2,5 cm atstumu nuo failų dėžės vidinės sienos krašto („Jenga“blokas buvo naudojamas tik tarpams, o vėliau buvo pašalintas).

6 žingsnis: supjaustykite ir padėkite kompaktinių diskų difrakcijos groteles

Hobio peiliu ar žirklėmis supjaustykite kompaktinį diską į kvadratą su atspindinčiu veidu ir maždaug 2,5 cm ilgio šonais. Naudokite juostą, kad pritvirtintumėte kompaktinį diską prie „Jenga“bloko. Žaiskite su „Jenga“bloko ir kompaktinių diskų difrakcijos grotelių padėtimi, kad ji būtų tokia, kad, prieš patekdama į šviesos diodų šaltinio šviesą, ji nukreiptų vaivorykštę į priešingą failų dėžės korpuso sieną. Pridedami vaizdai rodo, kaip aš išdėstiau šiuos komponentus. Svarbu, kad projektuojama vaivorykštė būtų palyginti lygi, kaip parodyta paskutinėje nuotraukoje. Liniuotės ir pieštuko eskizas failų dėžutės sienelės viduje gali padėti nustatyti, kada projekcija yra lygi.

7 žingsnis: sukurkite mėginio laikiklį

Atspausdinkite pridėtą dokumentą ir užklijuokite arba klijuokite popierių ant kartono. Naudodami žirkles ar pomėgį peiliu supjaustykite kartoną į kryžiaus formą. Nubraukite kartoną išilgai atspausdintų linijų kryžiaus centre. Be to, supjaustykite mažus plyšius vienodu aukščiu dviejų kartoninio kryžiaus rankų viduryje, kaip parodyta; šie plyšiai leis diskrečiam šviesos bangos ilgiui praeiti per mėginį į fotorezistorių. Aš panaudojau juostą, kad kartonas būtų tvirtesnis. Sulenkite kartoną išilgai vagelių ir užklijuokite juostele, kad susidarytų stačiakampis mėginio laikiklis. Mėginio laikiklis turi būti tvirtai pritvirtintas aplink stiklinį mėgintuvėlį.

8 veiksmas: sukurkite ir pritvirtinkite mėginio laikiklio pagrindą

Užklijuokite tris „Jenga“blokus ir pritvirtinkite mazgą prie mėginio laikiklio, kaip parodyta. Įsitikinkite, kad priedas yra pakankamai stiprus, kad kartoninis mėginio laikiklis neatskirtų nuo „Jenga“bloko pagrindo, kai mėgintuvėlis ištraukiamas iš mėginio laikiklio.

9 veiksmas: pridėkite fotorezistorių prie mėginio laikiklio

Fotorezistoriai yra laidūs šviesai ir mažina atsparumą, kurį jie suteikia didėjant šviesos intensyvumui. Aš užklijavau fotorezistorių į mažą, medinį korpusą, tačiau korpusas nėra būtinas. Užfiksuokite galinį fotorezistorių taip, kad jo jutimo paviršius būtų tiesiai prieš mėginio laikiklio pjūvį. Pabandykite pastatyti fotorezistorių taip, kad per jį per mėginį ir mėginio laikiklio plyšius patektų kuo daugiau šviesos.

10 veiksmas: prijunkite fotorezistorių

Norėdami prijungti fotorezistorių į „Arduino“grandinę, pirmiausia nukirpiau ir atplėšiau seno USB spausdintuvo kabelio laidus. Aš suklijavau tris blokus, kaip parodyta, ir tada prie šio pagrindo pritvirtinau nuplėštus laidus. Naudodamas du užpakalinius sujungimus, prijungiau USB spausdintuvo kabelio laidus prie fotorezistoriaus gnybtų ir suklijavau pagrindus, kad susidarytų vienas vienetas (kaip parodyta ketvirtame paveikslėlyje). Vietoj spausdintuvo kabelio laidų galima naudoti bet kokius ilgus laidus.

Prijunkite vieną laidą, sklindantį iš fotorezistoriaus, prie „Arduino“5 V galios. Prijunkite kitą fotorezistoriaus laidą prie laido, vedančio į vieną iš „Arduino“analogų prievaduose. Tada lygiagrečiai pridėkite 10 kilo omų rezistorių ir prijunkite rezistorių prie „Arduino“įžeminimo jungties. Paskutinis paveikslas konceptualiai parodo, kaip šie ryšiai gali būti užmegzti (kreditas į grandinę.io).

11 veiksmas: prijunkite visus komponentus prie „Arduino“

Prijunkite kompiuterį prie „Arduino“ir įkelkite į jį pridėtą kodą. Atsisiuntę kodą, galite jį koreguoti pagal savo poreikius ir pageidavimus. Šiuo metu „Arduino“kiekvieną kartą paleidus atlieka 125 matavimus (pabaigoje jie taip pat apskaičiuoja vidurkį), o jo analogas signale veda prie A2. Kodo viršuje galite pakeisti mėginio pavadinimą ir mėginio datą. Norėdami peržiūrėti rezultatus, paspauskite serijinio monitoriaus mygtuką, esantį „Arduino“darbalaukio sąsajos viršuje, dešinėje.

Nors tai šiek tiek netvarkinga, galite pamatyti, kaip galiausiai prijungiau kiekvieną „Arduino“grandinės komponentą. Aš naudoju dvi duonos lentas, bet jūs galite lengvai padaryti tik vieną. Be to, mano LED šviesos šaltinis yra prijungtas prie „Arduino“, tačiau, jei pageidaujate, galite naudoti kitą maitinimo šaltinį.

12 veiksmas: įdėkite mėginių laikiklį į failų dėžės korpusą

Paskutinis žingsnis kuriant naminį spektrofotometrą yra mėginio laikiklio įdėjimas į failų dėžės korpusą. Failų dėžutėje išpjoviau nedidelį plyšį, kad galėčiau praleisti laidus iš fotorezistoriaus. Šį paskutinį žingsnį aš vertinau kaip meną, o ne mokslą, nes išankstinis kiekvieno sistemos komponento įdėjimas turės įtakos mėginio laikiklio padėčiai failų dėžės korpuse. Pastatykite mėginio laikiklį taip, kad mėginio laikiklio plyšį galėtumėte suderinti su individualia šviesos spalva. Pavyzdžiui, galite pastatyti „Arduino“taip, kad oranžinė ir žalia šviesa išsikištų į bet kurią plyšio pusę, o tik geltona šviesa pro plyšį patektų į fotorezistorių. Radę vietą, kurioje tik viena spalvota šviesa praeina pro mėginio laikiklio plyšį, pastumkite mėginio laikiklį į šoną, kad nustatytumėte atitinkamas viena kitos spalvos vietas (atminkite, ROYGBV). Pieštuku nubrėžkite tiesias linijas palei failų dėžės korpuso apačią, kad pažymėtumėte vietas, kuriose fotorezistorių gali pasiekti tik viena šviesos spalva. Užklijavau du „Jenga“blokus prieš ir už mėginio laikiklio, kad įsitikinčiau, ar nenukrypau nuo šių ženklų, kai imu rodmenis.

13 žingsnis: išbandykite savo naminį spektrofotometrą - sukurkite spektrą

Atlikau keletą bandymų su savo naminiu spektrofotometru. Kaip aplinkos inžinierius, domiuosi vandens kokybe ir paėmiau vandens mėginius iš nedidelio upelio prie mano namo. Imant mėginius svarbu naudoti švarų indą ir mėginių ėmimo metu stovėti už indo. Stovėjimas už mėginio (t. Y. Pasroviui nuo surinkimo vietos) padeda išvengti mėginio užteršimo ir sumažina jūsų aktyvumo sraute poveikį mėginiui. Viename mėginyje (A pavyzdys) pridėjau nedidelį kiekį „Miracle-Gro“(kiekis, tinkamas kambariniams augalams, atsižvelgiant į mano mėginio tūrį), o kitame mėginyje nieko nepridėjau (B pavyzdys). Aš palikau šiuos mėginius gerai apšviestame kambaryje be dangtelių, kad būtų galima fotosintezė (kad dangteliai nebūtų leidžiami dujų mainams). Kaip matote, paveikslėliuose mėginys, papildytas „Miracle-Gro“, buvo prisotintas žalių platoninių dumblių, o mėginys be „Miracle-Gro“po maždaug 15 dienų nepadidėjo. Kai jis buvo prisotintas dumbliais, dalį A mėginio atskiedžiau 50 ml kūginiuose mėgintuvėliuose ir palikau juos toje pačioje gerai apšviestoje patalpoje be dangtelių. Maždaug po 5 dienų jau buvo pastebimi jų spalvos skirtumai, rodantys dumblių augimą. Atminkite, kad vienas iš keturių praskiedimų, deja, buvo prarastas.

Yra įvairių rūšių dumblių, augančių užterštuose gėluose vandenyse. Fotografavau dumblius mikroskopu ir manau, kad jie yra arba chlorokokas, arba chlorella. Atrodo, kad yra bent dar viena dumblių rūšis. Praneškite man, ar galite identifikuoti šias rūšis!

Augant dumbliams A mėginyje, aš paėmiau nedidelį jo mėginį ir įdėjau į mėgintuvėlį naminiame spektrofotometre. Aš įrašiau „Arduino“išėjimus kiekvienai šviesos spalvai ir susiejau kiekvieną išėjimą su vidutiniu kiekvienos spalvų diapazono bangos ilgiu. Tai yra:

Raudona šviesa = 685 nm

Oranžinė šviesa = 605 nm

Geltona šviesa = 580 nm

Žalia šviesa = 532,5 nm

Mėlyna šviesa = 472,5 nm

Violetinė šviesa = 415 nm

Aš taip pat įrašiau „Arduino“išėjimus kiekvienai šviesos spalvai, kai į mėginių laikiklį buvo įdėtas „Deer Park“vandens mėginys.

Naudodamasis alaus dėsniu, aš apskaičiavau kiekvieno matavimo sugerties vertę, paėmęs „Deep Park“vandens absorbcijos koeficiento 10 bazinį logaritmą, padalytą iš A mėginio absorbcijos. Aš pakeičiau absorbcijos vertes taip, kad mažiausios vertės absorbcija būtų lygi nuliui, ir nubraižiau rezultatus. Galite palyginti šiuos rezultatus su įprastų pigmentų absorbcijos spektru (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.), Kad pabandytumėte atspėti pigmentų tipus. esančių dumblių mėginyje.

14 žingsnis: išbandykite savo naminį spektrofotometrą - dezinfekcijos eksperimentas

Naudodami naminį spektrofotometrą galite atlikti įvairias veiklas. Čia aš atlikau eksperimentą, norėdamas pamatyti, kaip dumbliai suyra veikiant skirtingoms baliklio koncentracijoms. Aš naudojau produktą, kurio natrio hipochlorito (t.y. baliklio) koncentracija buvo 2,40%. Pradėjau į 50 ml kūginius mėgintuvėlius pridedant 50 ml A mėginio. Tada į mėginius pridėjau skirtingus baliklio tirpalo kiekius ir matavau spektrofotometru. Į mėginius pridėjus 4 ml ir 2 ml baliklio tirpalo, mėginiai beveik iš karto pasidarė skaidrūs, o tai rodo, kad dumbliai dezinfekuojami ir deaktyvuojami beveik iš karto. Į mėginius pridedant tik 1 ml ir 0,5 ml (apytiksliai 15 lašų iš pipetės) baliklio tirpalo, buvo pakankamai laiko atlikti matavimus naudojant naminį spektrofotometrą ir modelio skilimą kaip laiko funkciją. Prieš tai darydamas, paskutiniame žingsnyje panaudojau baliklio tirpalo spektro konstravimo metodą ir nusprendžiau, kad tirpalo bangos ilgis esant raudonai šviesai yra pakankamai mažas, kad būtų mažai trukdoma apytiksliui dumblių dezaktyvavimui, naudojant absorbciją raudonos bangos ilgiuose. šviesa. Prie raudonos šviesos Arduino fono rodmenys buvo 535 [-]. Atlikęs kelis matavimus ir pritaikęs alaus dėsnį, man pavyko sukurti dvi pavaizduotas kreives. Atkreipkite dėmesį, kad absorbcijos vertės buvo perkeltos taip, kad mažiausia absorbuota vertė būtų 0.

Jei yra hemocitometras, būsimi eksperimentai gali būti panaudoti tiesinei regresijai, kuri susieja absorbciją ir ląstelių koncentraciją A mėginyje, sukurti. Šis ryšys gali būti naudojamas Watson-Crick lygtyje, siekiant nustatyti dumblių deaktyvavimo CT vertę naudojant baliklį.

15 žingsnis: pagrindiniai patiekalai

Vykdydamas šį projektą įgijau žinių apie aplinkos biologijos ir ekologijos principus. Šis eksperimentas leido man toliau plėtoti savo supratimą apie fotoautotrofų augimo ir irimo kinetiką vandens aplinkoje. Be to, aš praktikavau aplinkos mėginių ėmimo ir analizės metodus ir sužinojau daugiau apie mechanizmus, leidžiančius veikti tokiems įrankiams kaip spektrofotometrai. Analizuodamas mėginius mikroskopu, sužinojau daugiau apie organizmų mikroaplinką ir susipažinau su atskirų rūšių fizinėmis struktūromis.