Kotitekoinen Jenga -lohkospektrofotometri leväkokeille: 15 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:00

Levät ovat fotosynteettisiä protisteja ja sellaisinaan kriittisiä organismeja veden ravintoketjuissa. Kevät- ja kesäkuukausina nämä ja muut mikro -organismit voivat kuitenkin lisääntyä ja hukuttaa luonnonvesivarat, mikä johtaa hapenpuutteeseen ja myrkyllisten aineiden tuotantoon. Näiden organismien kasvunopeuden ymmärtäminen voi olla hyödyllistä vesivarojen suojelemisessa sekä niiden voimaa hyödyntävien tekniikoiden kehittämisessä. Lisäksi näiden organismien deaktivointinopeuden ymmärtäminen voi olla hyödyllistä veden ja jäteveden käsittelyssä. Tässä tutkimuksessa yritän rakentaa edullisen spektrofotometrin analysoidakseen kloorivalkaisuaineelle altistuneiden organismien hajoamisnopeuksia vedessä, joka on otettu Park Creekistä Horshamissa, Pennsylvaniassa. Paikalta kerätty purovesi -näyte lannoitetaan ravinteiden seoksella ja jätetään auringonvaloon levien kasvun edistämiseksi. Kotitekoinen spektrofotometri mahdollistaa valon kulkemisen erillisillä aallonpituuksilla näytteen injektiopullon läpi, ennen kuin se havaitaan Arduino -piiriin kytketyllä valovastuksella. Näytteen organismien tiheyden kasvaessa näytteen absorboiman valon määrän odotetaan kasvavan. Tämä harjoitus korostaa elektroniikan, optiikan, biologian, ekologian ja matematiikan käsitteitä.

Olen kehittänyt spektrofotometrin idean Satchelfrostin Instructable “Student Spectrophotometer” -ohjelmasta ja Daniel R. Albertin, Michael A. Todtin ja H. Floyd Davisin paperista”A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer”.

Vaihe 1: Luo valokehän kehys

Ensimmäinen vaihe tässä Instructable -ohjelmassa on luoda valokehän kehys kuudesta Jenga -lohkosta ja teipistä. Valokehän kehystä käytetään valonlähteen, suurennuslaitteen ja CD -diffraktiohilan sijoittamiseen ja tukemiseen. Luo kaksi pitkää nauhaa nauhoittamalla kolme Jenga -lohkoa riville ensimmäisen kuvan mukaisesti. Teippaa nämä nauhat yhteen toisessa kuvassa esitetyllä tavalla.

Vaihe 2: Luo pohja suurennuslaitteellesi ja kiinnitä se valopolun kehykseen

Suurennuslaite kiinnitetään valokehän kehykseen ja keskittää LED -valon lähettämän valon ennen CD -levyn hajaantumista. Teippaa kaksi Jenga -palikkaa yhteen niin, että yhden lohkon keskikohta on suorassa kulmassa toisen lohkon päähän, kuten ensimmäisessä kuvassa. Kiinnitä suurennuslaite tähän jalustaan teipillä, kuten kolmannessa kuvassa. Käytin pientä, halpaa suurennuslasia, joka minulla on ollut useita vuosia. Kiinnitettyäni suurennuslaitteen sen pohjaan teipasin suurennuslaitteen valokehän kehykseen. Sijoitin suurennuslaitteen 13,5 cm: n päähän valopolun kehyksen reunasta, mutta saatat joutua kiinnittämään laitteen eri paikkaan suurennuslasin polttovälin mukaan.

Vaihe 3: Luo valonlähteesi

Rajoittaaksesi keskittymättömän valon määrää, joka voi päästä CD-diffraktioristikkoon ja valovastukseen, kiinnitin sähköteipillä valkoisen LED-lampun kiinnittämiseen mustan kynän korkin sisään, jonka yläosassa oli pieni reikä. Ensimmäisessä kuvassa näkyy LED, toisessa kuvassa teipattu LED-kynän korkki. Käytin pieniä palasia sähköteippiä estämään valon loistamisen LEDin takaa, missä anodi- ja katodijohdot ovat.

Kun olen luonut LED-kynän korkin, kiinnitin LEDin 220 ohmin vastukseen ja virtalähteeseen. Johdotin LEDin Arduino Unon mikrokontrollerin 5 V: n ja maadoitusliitäntöihin, mutta mitä tahansa ulkoista tasavirtalähdettä voidaan käyttää. Vastus on tärkeä estämään LED -valon palaminen.

Vaihe 4: Kiinnitä valonlähde valokehän kehykseen

Teippaa toinen Jenga -lohko lähellä valokehän kehystä, jotta saat valonlähteelle alustan. Kokoonpanossani valonlähdettä tukeva Jenga-lohko sijoitettiin noin 4 cm valokehän kehyksen reunasta. Kuten toisessa kuvassa esitetään, valonlähteen oikea sijoitus on sellainen, että valonsäde tarkentaa suurennuslaitteen läpi valokehän kehyksen vastakkaisessa päässä, jossa CD -diffraktioristikko tulee olemaan.

Vaihe 5: Aseta valopolun kehys, suurennuslaite ja valonlähde tiedostolaatikon koteloon

Pidä spektrofotometrin kaikkia osia kotelona viilalaatikossa tai muussa suljetussa säiliössä, jonka sivut ovat läpinäkymättömiä. Kuten kuvassa näkyy, kiinnitin valoteiden kehyksen, suurennuslaitteen ja valonlähteen tiedostolaatikon koteloon teipillä. Käytin yhtä Jenga -lohkoa valokehän kehyksen sijoittamiseen noin 2,5 cm: n päähän viilalaatikon sisäseinän reunasta (Jenga -lohkoa käytettiin yksinomaan etäisyyksiin ja se poistettiin myöhemmin).

Vaihe 6: Leikkaa ja aseta CD -diffraktioritilä

Leikkaa harrasteveitsellä tai saksilla CD -levy neliöksi, jossa on heijastava pinta ja sivut noin 2,5 cm pitkät. Kiinnitä CD Jenga -lohkoon nauhalla. Pelaa Jenga -lohkon ja CD -diffraktiohilan sijoittelulla niin, että se sijoittaa niin, että se heijastaa sateenkaaren arkistokotelon vastakkaiselle seinälle, kun LED -lähteen valo osuu siihen. Liitteenä olevat kuvat osoittavat, miten sijoitin nämä komponentit. On tärkeää, että ennustettu sateenkaari on suhteellisen tasainen, kuten viimeisessä kuvassa. Viivain ja lyijykynäpiirros viilalaatikon seinän sisäpuolella voivat auttaa määrittämään, milloin heijastus on vaakasuorassa.

Vaihe 7: Luo näytteen pidike

Tulosta liitteenä oleva asiakirja ja teippaa tai liimaa paperi pahville. Leikkaa pahvi ristikkäiseksi saksilla tai harrasteveitsellä. Pistele pahvi ristin keskellä olevilla painetuilla viivoilla. Leikkaa lisäksi pieniä rakoja tasaiselle korkeudelle pahviristin kahden haaran keskelle kuvan osoittamalla tavalla; nämä raot mahdollistavat erillisten valon aallonpituuksien kulkemisen näytteen läpi valovastukseen. Käytin teippiä tekemään pahvista tukevamman. Taita pahvi kuviota pitkin ja teippaa se niin, että muodostuu suorakulmainen näytteenpidin. Näytteenpitimen on oltava tiukasti lasisen koeputken ympärillä.

Vaihe 8: Luo ja kiinnitä pohja näytteenpitimelle

Teippaa yhteen kolme Jenga -palikkaa ja kiinnitä kokoonpano näytteenpitimeen kuvan osoittamalla tavalla. Varmista, että kiinnitys on riittävän vahva, jotta pahvinäytteen pidike ei irtoa Jenga -lohkon pohjasta, kun koeputki vedetään ulos näytteenpitimestä.

Vaihe 9: Lisää valoresistori näytepidikkeeseen

Valoresistorit ovat valoa johtavia ja vähentävät niiden tuottamaa vastusta valon voimakkuuden kasvaessa. Teipasin valovastuksen pieneen puukoteloon, mutta koteloa ei tarvita. Teippaa takavalovastus niin, että sen tunnistava pinta on suoraan näytteenpitimessä leikattavaa rakoa vasten. Yritä sijoittaa valovastus niin, että mahdollisimman paljon valoa osuu siihen näytteen ja näytteenpitimen rakojen läpi.

Vaihe 10: Kytke valoresistori

Johdataksesi valovastuksen Arduinon piiriin, katkaisin ja irrotin ensin vanhan USB -tulostinkaapelin johdot. Teipasin kolme lohkoa yhteen kuvan mukaisesti ja kiinnitin sitten irrotetut johdot tähän pohjaan. Yhdistin USB -tulostimen kaapelin johdot valon vastusliitäntöihin kahdella liitoskohdalla ja teipasin pohjat yhteen muodostaen yksikön (kuten neljäs kuva). Tulostinkaapelin johtojen sijasta voidaan käyttää mitä tahansa pitkiä johtoja.

Yhdistä yksi valoresistorista tuleva johto Arduinon 5 V: n virtalähteeseen. Liitä toinen valoresistorin johto johtimeen, joka johtaa yhteen Arduinon analogista porteissa. Lisää sitten 10 kilo-ohmin vastus rinnakkain ja kytke vastus Arduinon maaliitäntään. Viimeinen kuva esittää käsitteellisesti, miten nämä yhteydet voidaan tehdä (luotto piiri.io: lle).

Vaihe 11: Yhdistä kaikki komponentit Arduinoon

Liitä tietokone Arduinoon ja lataa siihen liitetty koodi. Kun olet ladannut koodin, voit säätää sitä tarpeidesi ja mieltymystesi mukaan. Tällä hetkellä Arduino ottaa 125 mittausta joka kerta, kun se suoritetaan (se myös keskittää nämä mittaukset lopussa), ja sen analoginen signaalissa johtaa A2: een. Koodin yläosassa voit muuttaa näytteen nimen ja näytteen päivämäärän. Voit tarkastella tuloksia painamalla sarjamonitoripainiketta Arduino -työpöydän oikeassa yläkulmassa.

Vaikka se on vähän sotkuinen, näet kuinka päädyin yhdistämään Arduino -piirin jokaisen komponentin. Käytin kahta leipälautaa, mutta voit helposti tehdä yhden. Lisäksi LED -valonlähteeni on kytketty Arduinoon, mutta voit käyttää sitä eri virtalähteellä, jos haluat.

Vaihe 12: Aseta näytteenpidike tiedostolaatikon koteloon

Viimeinen askel kotitekoisen spektrofotometrin luomisessa on sijoittaa näytteenpidike viilalaatikon koteloon. Leikkasin pienen raon tiedostolaatikkoon johtamaan valon vastusjohdot läpi. Käsittelin tätä viimeistä vaihetta enemmän taiteena kuin tieteenä, koska järjestelmän jokaisen komponentin aikaisempi sijoittaminen vaikuttaa näytteenpitimen sijaintiin arkistorasian kotelossa. Aseta näytteenpidike siten, että pystyt kohdistamaan näytteenpitimen raon yksittäisen valon värin kanssa. Voit esimerkiksi sijoittaa Arduinon niin, että oranssi valo ja vihreä valo heijastuvat raon kummallekin puolelle, kun taas vain keltainen valo kulkee raon läpi valovastukseen. Kun olet löytänyt paikan, jossa vain yksi värivalo kulkee näytteenpitimen raon läpi, siirrä näytteenpitintä sivuttain ja tunnista vastaavat paikat toisille väreille (muista, ROYGBV). Piirrä lyijykynällä suorat viivat arkistolaatikon kotelon alareunaan ja merkitse paikat, joissa vain yksi valon väri pääsee valovastukseen. Teipasin kaksi Jenga -palikkaa näytteenpitimen eteen ja taakse varmistaakseni, että en poikennut näistä merkinnöistä lukemia ottaessani.

Vaihe 13: Testaa kotitekoinen spektrofotometri - luo spektri

Tein useita testejä kotitekoisella spektrofotometrillä. Ympäristöinsinöörinä olen kiinnostunut veden laadusta ja otin vesinäytteitä taloni pienestä purosta. Näytteitä otettaessa on tärkeää, että käytät puhdasta astiaa ja seisot säiliön takana näytteenoton aikana. Näytteen takana seisominen (eli keräyspisteen jälkeen) auttaa estämään näytteen saastumisen ja vähentää virran vaikutusta näytteeseen. Toiseen näytteeseen (näyte A) lisäsin pienen määrän Miracle-Groa (määrä, joka sopii sisäkasveille, kun otan näytteeni), ja toisessa näytteessä en mitään (näyte B). Jätin nämä näytteet istumaan hyvin valaistuun huoneeseen ilman kantta fotosynteesin mahdollistamiseksi (pitäen kannet pois kaasunvaihdon sallittuina). Kuten näette, kuvissa Miracle-Gro: lla täydennetty näyte kyllästyi vihreillä platonisilla levillä, kun taas näyte ilman Miracle-Groa ei kokenut merkittävää kasvua noin 15 päivän kuluttua. Kun se oli kyllästetty levillä, laimensin osan näytteestä 50 ml: n kartiomaisiin putkiin ja jätin ne samaan hyvin valaistuun huoneeseen ilman niiden kannet. Noin 5 päivää myöhemmin niiden värissä oli jo havaittavia eroja, mikä viittaa levien kasvuun. Huomaa, että yksi neljästä laimennoksesta menetti valitettavasti prosessin aikana.

Saastuneessa makeassa vedessä kasvaa erilaisia levälajeja. Otin levistä valokuvia mikroskoopilla ja uskon niiden olevan joko klorokokki tai klorella. Ainakin yksi muu levälaji näyttää myös olevan läsnä. Kerro minulle, jos pystyt tunnistamaan nämä lajit!

Kun olen kasvattanut levää näytteessä A, otin siitä pienen näytteen ja lisäsin sen koeputkeen kotitekoisessa spektrofotometrissä. Tallensin Arduinon lähdöt kullekin valon värille ja liitin jokaisen lähdön kunkin värialueen keskimääräiseen aallonpituuteen. Tuo on:

Punainen valo = 685 nm

Oranssi valo = 605 nm

Keltainen valo = 580 nm

Vihreä valo = 532,5 nm

Sininen valo = 472,5 nm

Violetti valo = 415 nm

Tallensin myös Arduinon lähdöt kullekin valon värille, kun näyte Deer Park -vesistä asetettiin näytteenpitimeen.

Olutlakia käyttäen laskin absorbanssiarvon jokaiselle mittaukselle ottamalla Deep Park -vedenabsorbanssin jakajan perus-10-logaritmin jaettuna näytteen A absorbanssilla. Siirsin absorbanssiarvoja niin, että alimman arvon absorbanssi oli nolla, ja piirsin tulokset. Voit verrata näitä tuloksia tavallisten pigmenttien absorbanssispektriin (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) Ja yrittää arvata pigmenttityypit levänäytteessä.

Vaihe 14: Testaa kotitekoinen spektrofotometri - desinfiointikokeilu

Kotitekoisen spektrofotometrin avulla voit suorittaa erilaisia toimintoja. Täällä tein kokeen nähdäkseni, miten levät hajoavat altistuessaan erilaisille valkaisuainepitoisuuksille. Käytin tuotetta, jonka natriumhypokloriitti (eli valkaisuaine) pitoisuus oli 2,40%. Aloitin lisäämällä 50 ml näytettä A 50 ml: n kartioputkiin. Sitten lisäsin näytteisiin erilaisia määriä valkaisuliuosta ja tein mittauksia spektrofotometrillä. 4 ml: n ja 2 ml: n valkaisuliuoksen lisääminen näytteisiin sai näytteet kirkastumaan lähes välittömästi, mikä osoittaa lähes välittömän desinfioinnin ja levien deaktivoinnin. Kun näytteisiin lisättiin vain 1 ml ja 0,5 ml (noin 15 tippaa pipetistä) valkaisuliuosta, annettiin riittävästi aikaa mittausten tekemiseen kotitekoisella spektrofotometrillä ja mallin hajoaminen ajan funktiona. Ennen kuin tein niin, olin käyttänyt viimeisen vaiheen menettelyä valkaisuaineliuoksen spektrin luomiseksi ja päättänyt, että liuoksen aallonpituus punaisessa valossa oli riittävän pieni, jotta levien deaktivoinnin likimääräiseen deaktivointiin ei aiheutuisi juurikaan häiriöitä punaisen aallonpituuksilla valo. Punaisessa valossa Arduinon taustalukema oli 535 [-]. Useiden mittausten tekeminen ja Beerin lain soveltaminen antoi minulle mahdollisuuden rakentaa kaksi esitettyä käyrää. Huomaa, että absorbanssiarvoja siirrettiin niin, että pienin absorboitunut arvo on 0.

Jos hemosytometri on saatavilla, tulevia kokeita voitaisiin käyttää kehittämään lineaarinen regressio, joka suhteuttaa absorbanssin näytteen A solukonsentraatioon. Tätä suhdetta voitaisiin sitten käyttää Watson-Crick-yhtälössä määritettäessä CT-arvo levien deaktivoimiseksi valkaisuainetta käyttäen.

Vaihe 15: Avain takeaways

Tämän projektin myötä olen oppinut tuntemaan ympäristöbiologian ja ekologian perusperiaatteet. Tämä kokeilu antoi minulle mahdollisuuden kehittää edelleen ymmärrystäni fotoautotrofien kasvusta ja hajoamisetiikasta vesiympäristössä. Lisäksi harjoittelin ympäristönäytteenotto- ja -analyysitekniikoita samalla kun opin lisää mekanismeista, joiden avulla työkalut, kuten spektrofotometrit, voivat toimia. Analysoitaessa näytteitä mikroskoopin alla opin enemmän organismien mikroympäristöistä ja tutustuin yksittäisten lajien fyysisiin rakenteisiin.