Домашен блок -спектрофотометър Jenga за експерименти с водорасли: 15 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Водораслите са фотосинтетични протисти и като такива са критични организми във водните хранителни вериги. През пролетните и летните месеци обаче тези и други микроорганизми могат да се размножават и да претоварват естествените водни ресурси, което води до изчерпване на кислорода и производство на токсични вещества. Разбирането на скоростта, с която тези организми растат, може да бъде полезно за защита на водните ресурси, както и за разработване на технологии, които използват тяхната сила. Освен това разбирането на скоростта, с която тези организми се дезактивират, може да бъде полезно при пречистването на водата и отпадъчните води. В това разследване ще се опитам да създам евтин спектрофотометър за анализ на скоростта на разпадане на организмите, изложени на хлорна белина във вода, взета от Парк Крийк в Хоршам, Пенсилвания. Проба от поточна вода, събрана от мястото, ще бъде оплодена с хранителна смес и оставена на слънчева светлина, за да стимулира растежа на водораслите. Домашно приготвеният спектрофотометър ще позволи на светлината с дискретни дължини на вълната да премине през флакон с пробата, преди да бъде открита от фоторезистор, свързан към верига Arduino. С увеличаването на плътността на организмите в пробата се очаква количеството светлина, погълната от пробата, да се увеличи. Това упражнение ще подчертае концепциите в електрониката, оптиката, биологията, екологията и математиката.

Идеята за моя спектрофотометър съм разработил от инструктируемия „Студентски спектрофотометър“на Satchelfrost и от статията „Евтин количествен абсорбционен спектрофотометър“от Daniel R. Albert, Michael A. Todt и H. Floyd Davis.

Стъпка 1: Създайте своя рамка за светъл път

Първата стъпка в тази инструкция е да се създаде рамка за лек път от шест блока Jenga и лента. Рамката на светлинния път ще се използва за позициониране и поддържане на източника на светлина, устройството за увеличаване и дифракционната решетка на CD. Създайте две дълги ленти, като залепите три блока Jenga в ред, както е показано на първото изображение. Залепете тези ленти заедно, както е показано на втората снимка.

Стъпка 2: Създайте основа за вашето устройство за увеличение и го прикрепете към рамката на светлинния път

Устройството за увеличение ще бъде прикрепено към рамката на светлинния път и ще концентрира светлината, излъчвана от светодиода, преди да се разсее от компактдиска. Залепете заедно два блока Jenga, така че средата на един блок да е под прав ъгъл спрямо края на друг блок, както е показано на първото изображение. Прикрепете устройството за увеличение към тази основа, като използвате лента, както е показано на третото изображение. Използвах малка, евтина лупа, която имам от няколко години. След като прикрепих устройството за увеличение към основата му, залепих устройството за увеличение към рамката на светлинния път. Позиционирах устройството си за увеличение на 13,5 см от ръба на рамката на светлинния път, но може да се наложи да фиксирате устройството си в различно положение в зависимост от фокусното разстояние на лупата.

Стъпка 3: Създайте своя източник на светлина

За да огранича количеството неконцентрирана светлина, която може да достигне дифракционната решетка на CD и фоторезистора, използвах електрическа лента, за да фиксирам бяла LED крушка в черна капачка на химикалка, която имаше малък отвор в горната част. Първото изображение показва LED, второто изображение показва залепената капачка на LED писалката. Използвах малки парчета електрическа лента, за да предотвратя светлината да свети от задната страна на светодиода, където са анодните и катодните проводници.

След като създадох капачката на LED писалката, прикрепих LED към 220-омов резистор и източник на захранване. Свързах светодиода към 5V и заземяващи връзки на микроконтролер на Arduino Uno, но можеше да се използва всеки външен източник на DC захранване. Резисторът е важен, за да предотврати изгарянето на LED светлината.

Стъпка 4: Закрепете източника на светлина към рамката на светлинния път

Залепете друг блок Jenga близо до края на рамката на светлинния път, за да осигурите платформа за източника на светлина. В моята настройка блокът Jenga, поддържащ източника на светлина, беше разположен на приблизително 4 см от ръба на рамката на светлинния път. Както е показано на второто изображение, правилното разположение на източника на светлина е такова, че светлинният лъч се фокусира през устройството за увеличение в противоположния край на рамката на светлинния път, където ще бъде CD дифракционната решетка.

Стъпка 5: Поставете рамката на светлинния път, устройството за увеличаване и източника на светлина в кутията на файловата кутия

Използвайте картонена кутия или друг запечатващ се контейнер с непрозрачни страни като обвивка, за да държите всеки от компонентите на спектрофотометъра. Както е показано на фигурата, използвах лента, за да закрепя рамката на светлинния път, устройството за увеличаване и източника на светлина в корпуса на файловата кутия. Използвах един блок Jenga за поставяне на рамката на светлинния път на приблизително 2,5 см от ръба на вътрешната стена на файловата кутия (блокът Jenga беше използван единствено за разстояние и по -късно беше премахнат).

Стъпка 6: Изрежете и разположете дифракционната решетка на компактдиска

Използвайте нож за хоби или ножица, за да изрежете компактдиск в квадрат с отразяващо лице и страни с дължина приблизително 2,5 см. Използвайте лента, за да прикрепите компактдиска към блока Jenga. Играйте с позиционирането на блока Jenga и дифракционната решетка за компактдискове, за да го позиционирате така, че да проектира дъга върху противоположната стена на корпуса на файловата кутия, когато светлината от LED източника я удари. Приложените изображения показват как позиционирах тези компоненти. Важно е проектираната дъга да е относително равна, както е показано на последната снимка. Скица с линийка и молив от вътрешната страна на стената на файловата кутия може да помогне при определяне кога проекцията е равна.

Стъпка 7: Създайте държача на пробата

Разпечатайте прикачения документ и залепете с лепенка или залепете хартията върху парче картон. Използвайте ножица или нож за хоби, за да изрежете картона в кръстосана форма. Нарежете картона по отпечатаните линии в центъра на кръста. Освен това, изрежете малки прорези на равни височини в средата на две рамена на картонения кръст, както е показано; тези процепи ще позволят на дискретни дължини на вълната на светлината да преминават през пробата към фоторезистора. Използвах лента, за да направя картона по -здрав. Сгънете картона по десетките и го залепете, така че да се образува правоъгълен държач за проба. Държачът за проба трябва да приляга плътно около стъклена епруветка.

Стъпка 8: Създайте и прикрепете основа за държача на пробата

Залепете заедно три блока Jenga и прикрепете монтажа към държача за проба, както е показано. Уверете се, че приставката е достатъчно здрава, така че държачът за картонена проба да не се отделя от основата на блока Jenga, когато епруветката се извади от държача за проба.

Стъпка 9: Добавете фоторезистора към държача на пробата

Фоторезисторите са фотопроводими и намаляват степента на съпротивление, което осигуряват с увеличаване на интензитета на светлината. Залепих фоторезистора в малък, дървен корпус, но корпусът не е необходим. Залепете задния фоторезистор така, че сензорното му лице да е разположено директно срещу прореза, който сте отрязали в държача за проба. Опитайте се да поставите фоторезистора така, че възможно най -много светлина да го удари, след като преминете през пробата и прорезите на държача на пробата.

Стъпка 10: Свържете фоторезистора

За да свържа фоторезистора във веригата Arduino, първо изрязах и оголих проводниците на стар USB кабел за принтер. Залепих три блока заедно, както е показано, и след това прикрепих оголените проводници към тази основа. Използвайки две челни съединения, свързах кабелите на USB принтера към клемите на фоторезистора и залепих основите заедно, за да образувам едно цяло (както е показано на четвъртото изображение). На мястото на кабелите на принтера могат да се използват всякакви дълги проводници.

Свържете един проводник, излъчван от фоторезистора, към 5V изхода на Arduino. Свържете другия проводник от фоторезистора към проводник, водещ към един от аналоговите в портовете на Arduino. След това добавете паралелно резистор от 10 килоома и свържете резистора към заземяващата връзка на Arduino. Последната фигура концептуално показва как могат да бъдат направени тези връзки (кредит на circuit.io).

Стъпка 11: Свържете всички компоненти към Arduino

Свържете компютъра си с Arduino и качете прикачения код към него. След като изтеглите кода, можете да го коригирате според вашите нужди и предпочитания. В момента Arduino прави 125 измервания всеки път, когато се стартира (също така осреднява тези измервания в края), а аналоговият му сигнал води до A2. В горната част на кода можете да промените името на вашата извадка и датата на извадката. За да видите резултатите, натиснете бутона за сериен монитор в горния десен ъгъл на настолния интерфейс на Arduino.

Въпреки че е малко объркан, можете да видите как свърших всеки компонент на веригата Arduino. Използвах две дъски, но лесно можете да направите само една. Освен това, моят LED източник на светлина е свързан към Arduino, но можете да използвате различно захранване за него, ако предпочитате.

Стъпка 12: Поставете държача на пробата в кутията за файлове

Последната стъпка в създаването на вашия домашно приготвен спектрофотометър е да поставите държача за проба в кутията на файла. Изрязах малък процеп в кутията с файлове, за да прекарам проводниците от фоторезистора. Третирах тази последна стъпка като по -скоро изкуство, отколкото наука, тъй като предходното поставяне на всеки компонент на системата ще повлияе на позиционирането на държача на пробата в корпуса на картотеката. Поставете държача за проба така, че да можете да подравните процепа в държача за проба с индивидуален цвят светлина. Например, можете да позиционирате Arduino така, че оранжевата и зелената светлина да се проектират от двете страни на процепа, докато само жълтата светлина преминава през процепа към фоторезистора. След като намерите място, където само един цвят за светлина преминава през процепа в държача за проба, преместете държача за проба странично, за да идентифицирате съответните места за всеки друг цвят (не забравяйте, ROYGBV). Използвайте молив, за да нарисувате прави линии по дъното на кутията за файлове, за да маркирате местата, където само един цвят светлина може да достигне до фоторезистора. Залепих два блока Jenga пред и зад държача на пробата, за да се уверя, че не се отклонявам от тези маркировки, когато отчитам показанията.

Стъпка 13: Тествайте домашния си спектрофотометър - създайте спектър

Проведох няколко теста с моя домашен спектрофотометър. Като инженер по околна среда се интересувам от качеството на водата и взех водни проби от малък поток край моята къща. Когато вземате проби, е важно да използвате чист контейнер и да стоите зад контейнера, докато вземате проби. Заставането зад пробата (т.е. надолу по веригата от точката за събиране) помага да се предотврати замърсяването на вашата проба и намалява степента, в която активността ви в потока влияе върху пробата. В една проба (проба А) добавих малко количество Miracle-Gro (количеството, подходящо за стайни растения, предвид моя обем проба), а в другата проба не добавих нищо (проба В). Оставих тези проби да седят в добре осветена стая без капаците им, за да се даде възможност за фотосинтеза (като държите капаците изключени, позволяващи обмен на газ). Както можете да видите, на снимките пробата, допълнена с Miracle-Gro, стана наситена със зелени платонични водорасли, докато пробата без Miracle-Gro не изпита значителен растеж след около 15 дни. След като се насити с водорасли, разреждам част от проба А в 50 мл конусовидни епруветки и ги оставям в същото добре осветено помещение без капаците им. Приблизително 5 дни по -късно вече има забележими разлики в цвета им, което показва растеж на водорасли. Обърнете внимание, че едно от четирите разреждания за съжаление е загубено в процеса.

Има различни видове водорасли, които растат в замърсени сладководни води. Направих снимки на водораслите с микроскоп и вярвам, че са или хлорококум, или хлорела. Изглежда, че има поне още един вид водорасли. Моля, уведомете ме, ако можете да идентифицирате тези видове!

След отглеждане на водораслите в проба А, взех малка проба от нея и я добавих в епруветката в домашния спектрофотометър. Записах изходите на Arduino за всеки цвят светлина и свързвах всеки изход със средната дължина на вълната на всеки цветен диапазон. Това е:

Червена светлина = 685 nm

Оранжева светлина = 605 nm

Жълта светлина = 580 nm

Зелена светлина = 532,5 nm

Синя светлина = 472,5 nm

Виолетова светлина = 415 nm

Записах и изходите на Arduino за всеки цвят светлина, когато проба от вода от Deer Park беше поставена в държача за проба.

Използвайки закона на Бира, аз изчислих стойността на абсорбцията за всяко измерване, като взех логаритъма база-10 на частното от абсорбцията на водната дълбочина в Deep Park, разделена на абсорбцията на пробата А. Промених стойностите на абсорбцията, така че абсорбцията на най -ниската стойност беше нула, и начертах резултатите. Можете да сравните тези резултати със спектъра на абсорбция на обикновените пигменти (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Светът на водораслите. Клетъчен произход, живот в екстремни местообитания и астробиология.), За да се опитате да отгатнете видовете пигменти съдържащи се в пробата от водорасли.

Стъпка 14: Тествайте домашния си спектрофотометър - експеримент за дезинфекция

С вашия домашен спектрофотометър можете да извършвате множество различни дейности. Тук направих експеримент, за да видя как водораслите се разпадат, когато са изложени на различни концентрации на белина. Използвах продукт с концентрация на натриев хипохлорит (т.е. белина) от 2,40%. Започнах с добавяне на 50 mL проба А към 50 mL конични епруветки. След това добавих различни количества разтвор на белина към пробите и направих измервания с помощта на спектрофотометъра. Добавянето на 4 ml и 2 ml беленен разтвор към пробите кара пробите да се избистрят почти веднага, което показва почти незабавна дезинфекция и дезактивиране на водораслите. Добавянето само на 1 mL и 0.5 mL (приблизително с 15 капки от пипета) от белезния разтвор към пробите, позволява достатъчно време за извършване на измервания с помощта на самоделния спектрофотометър и разпадане на модела като функция на времето. Преди да направя това, използвах процедурата в последната стъпка, за да конструирам спектър за разтвора за избелване и установих, че дължината на вълната на разтвора при червена светлина е достатъчно ниска, че ще има малко смущения при приближаване на деактивирането на водорасли, използвайки абсорбция при дължините на вълните на червеното светлина. При червена светлина фоновото четене от Arduino беше 535 [-]. Правенето на няколко измервания и прилагането на закона на Бира ми позволи да построя двете показани криви. Обърнете внимание, че стойностите на абсорбцията са изместени така, че най -ниската абсорбирана стойност е 0.

Ако е наличен хемоцитометър, бъдещите експерименти могат да се използват за разработване на линейна регресия, която свързва абсорбцията с концентрацията на клетките в проба А. Тази връзка може да се използва след това в уравнението на Уотсън-Крик за определяне на CT стойността за дезактивиране на водорасли с помощта на белина.

Стъпка 15: Ключови извадки

Чрез този проект аз разширих познанията си за принципите, фундаментални за биологията на околната среда и екологията. Този експеримент ми позволи да доразвия разбирането си за кинетиката на растежа и разпадането на фотоавтотрофите във водна среда. Освен това практикувах техники в вземането на проби и анализа на околната среда, докато научих повече за механизмите, които позволяват на инструменти като спектрофотометри да работят. Докато анализирах проби под микроскопа, научих повече за микросредата на организмите и се запознах с физическите структури на отделните видове.