Tuisgemaakte Jenga -blokspektrofotometer vir alge -eksperimente: 15 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:24

Alge is fotosintetiese protiste en is as sodanig kritiese organismes in akwatiese voedselkettings. Gedurende die lente en somermaande kan hierdie en ander mikroörganismes egter natuurlike waterbronne vermeerder en oorweldig, wat lei tot suurstofuitputting en die produksie van giftige stowwe. Om die tempo waarteen hierdie organismes groei te verstaan, kan nuttig wees om waterbronne te beskerm, sowel as om tegnologieë te ontwikkel wat hul krag benut. Boonop kan dit nuttig wees om die tempo waarteen hierdie organismes gedeaktiveer word, te verstaan in die behandeling van water en afvalwater. In hierdie ondersoek sal ek probeer om 'n goedkoop spektrofotometer te bou om die verval van organismes wat blootgestel is aan chloorbleikmiddel in water wat uit Park Creek in Horsham, Pennsylvania, ontleed is, te ontleed. 'N Voorbeeld van kreekwater wat van die terrein af opgevang word, sal met 'n voedingsmengsel bemes word en in sonlig gelaat word om alge -groei te bevorder. Die tuisgemaakte spektrofotometer laat toe dat lig by diskrete golflengtes deur 'n flessie van die monster gaan voordat dit opgespoor word deur 'n fotoresistor wat aan 'n Arduino -stroombaan gekoppel is. Namate die digtheid van organismes in die monster toeneem, sal die hoeveelheid lig wat deur die monster geabsorbeer word, toeneem. Hierdie oefening beklemtoon konsepte in elektronika, optika, biologie, ekologie en wiskunde.

Ek het die idee vir my spektrofotometer ontwikkel uit die Instructable "Student Spectrofotometer" deur Satchelfrost en die koerant "A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer" deur Daniel R. Albert, Michael A. Todt en H. Floyd Davis.

Stap 1: Skep u Light Path Frame

Die eerste stap in hierdie instruksies is om 'n ligte raam van ses Jenga -blokke en band te skep. Die ligpadraamwerk sal gebruik word om die ligbron, vergrotingsapparaat en CD -diffraksierooster te posisioneer en te ondersteun. Skep twee lang stroke deur drie Jenga -blokke in 'n lyn te plak soos in die eerste prent. Plak hierdie stroke saam soos op die tweede foto.

Stap 2: Skep 'n basis vir u vergrotingsapparaat en heg dit aan die Light Path Frame

Die vergrotingsapparaat word op die ligpadraam aangebring en die lig wat die LED uitstraal, konsentreer voordat die CD afbreek. Plak twee Jenga -blokke vas sodat die middel van een blok reghoekig teenoor die einde van 'n ander blok is, soos in die eerste prent getoon. Bevestig die vergrotingsapparaat aan die basis met behulp van band soos in die derde prentjie getoon. Ek gebruik 'n klein, goedkoop vergrootglas wat ek al etlike jare het. Nadat ek die vergrotingsapparaat aan die basis vasgemaak het, het ek die vergrotingsapparaat op die ligpadraam vasgemaak. Ek het my vergrotingsapparaat 13,5 cm weg van die rand van die ligpadraam geplaas, maar u moet u toestel moontlik op 'n ander posisie herstel, afhangende van die brandpuntsafstand van die vergrootglas.

Stap 3: Skep u ligbron

Om die hoeveelheid nie-gekonsentreerde lig wat die CD-diffraksierooster en fotoresistor kan bereik, te beperk, het ek elektriese band gebruik om 'n wit LED-gloeilamp binne-in 'n swart penkap vas te maak met 'n klein gaatjie aan die bokant. Die eerste prent wys die LED, die tweede beeld die vasgemaakte LED-pendop. Ek het klein stukkies elektriese band gebruik om te verhoed dat lig agter die LED skyn waar die anode- en katodedrade is.

Nadat ek die LED-penhuls geskep het, het ek die LED aan 'n weerstand en kragbron van 220 ohm gekoppel. Ek het die LED aan 'n Arduino Uno -mikrobeheerder se 5V- en grondaansluitings gekoppel, maar enige eksterne DC -kragbron kan gebruik word. Die weerstand is belangrik om te voorkom dat die LED -lig uitbrand.

Stap 4: Bevestig die ligbron aan die ligpadraam

Plak nog 'n Jenga -blok naby die einde van die ligpadraam vas om 'n platform vir die ligbron te bied. In my opset was die Jenga-blok wat die ligbron ondersteun, ongeveer 4 cm van die rand van die ligpadraam geplaas. Soos in die tweede prent getoon, is die korrekte plasing van die ligbron sodanig dat die ligstraal fokus deur die vergrotingsapparaat aan die teenoorgestelde kant van die ligpadraam waar die CD -diffraksierooster sal wees.

Stap 5: Plaas die ligpadraam, vergrotingsapparaat en ligbron in die omhulsel van die lêer

Gebruik 'n vouer of 'n ander verseëlbare houer met ondeursigtige kante as 'n omhulsel om elk van die komponente van die spektrofotometer te hou. Soos in die figuur getoon, gebruik ek band om die ligpadraam, vergrotingsapparaat en ligbron in die omhulsel van die lêer vas te maak. Ek het een Jenga -blok gebruik om die raam van die ligpad op ongeveer 2,5 cm van die rand van die binnekant van die lêer te spasieer (die Jenga -blok is uitsluitlik gebruik vir spasiëring en is later verwyder).

Stap 6: Sny en plaas die CD Diffraction Grating

Gebruik 'n stokperdjemes of 'n skêr om 'n CD in 'n vierkant te sny met 'n weerkaatsende gesig en sye van ongeveer 2,5 cm lank. Gebruik band om die CD aan die Jenga -blok vas te maak. Speel met die posisionering van die Jenga -blok en CD -diffraksierooster om dit so te plaas dat dit 'n reënboog op die teenoorgestelde muur van die omhulsel van die lêerhouer uitsteek wanneer lig van die LED -bron dit tref. Die aangehegte beelde wys hoe ek hierdie komponente geposisioneer het. Dit is belangrik dat die geprojekteerde reënboog relatief gelyk is soos in die laaste prentjie getoon word. 'N Liniaal- en potloodskets aan die binnekant van die lêer se muur kan help om vas te stel wanneer die projeksie gelyk is.

Stap 7: Skep die monsterhouer

Druk die aangehegte dokument af en plak dit vas of plak dit op 'n stuk karton. Gebruik 'n skêr of 'n stokperdjiesmes om die karton in 'n kruisvorm te sny. Teken die karton langs die gedrukte lyne in die middel van die kruis. Sny ook klein splete op gelyke hoogtes in die middel van twee arms van die kartonkruis, soos getoon; Met hierdie splete kan diskrete golflengtes van lig deur die monster na die fotoresistor gaan. Ek het band gebruik om die karton stewiger te maak. Vou die karton langs die punte en plak dit vas sodat 'n reghoekige monsterhouer gevorm word. Die monsterhouer moet styf om 'n glasproefbuis pas.

Stap 8: Skep en bevestig 'n basis vir die monsterhouer

Plak drie Jenga -blokke vas en heg die eenheid aan die monsterhouer soos aangedui. Maak seker dat die bevestiging sterk genoeg is sodat die kartonmonsterhouer nie van die Jenga -blokbasis skei as die proefbuis uit die monsterhouer gehaal word nie.

Stap 9: Voeg die fotoresistor by die monsterhouer

Fotoresistors is fotogeleidend en verminder die hoeveelheid weerstand wat dit bied namate die ligintensiteit toeneem. Ek het die fotoresistor in 'n klein houtbehuizing vasgemaak, maar die behuising is nie nodig nie. Plak die fotoresistor aan die agterkant vas sodat die waarnemingsvlak direk teen die spleet wat u in die monsterhouer gesny het, geplaas is. Probeer om die fotoresistor so te plaas dat soveel lig as moontlik dit raak nadat dit deur die monster en die steekproef van die monsterhouer gegaan het.

Stap 10: Bedraad die fotoresistor

Om die fotoresistor in die Arduino -stroombaan te bedraad, het ek eers die drade van 'n ou USB -drukkabel gesny en gestroop. Ek het drie blokke aanmekaar vasgemaak, soos getoon, en dan die gestroopte drade aan hierdie basis vasgemaak. Met twee boude verbindings het ek die USB -drukkabels aan die terminale van die fotoresistor gekoppel en die voetstukke vasgemaak om een eenheid te vorm (soos in die vierde prentjie getoon). Enige lang drade kan in die plek van die drukkabels gebruik word.

Koppel een draad wat van die fotoresistor afkomstig is, aan die Arduino se 5V -kraguitset. Koppel die ander draad van die fotoresistor aan 'n draad wat na een van die Arduino se analoog -poorte lei. Voeg dan 'n 10 kilo-ohm-weerstand parallel by en koppel die weerstand aan die Arduino se grondverbinding. Die laaste figuur toon konseptueel hoe hierdie verbindings gemaak kan word (krediet aan circuit.io).

Stap 11: Koppel alle komponente aan die Arduino

Koppel u rekenaar aan die Arduino en laai die aangehegte kode daarop. Nadat u die kode afgelaai het, kan u dit aanpas by u behoeftes en voorkeure. Tans neem die Arduino 125 metings elke keer as dit uitgevoer word (dit is ook gemiddeld aan die einde van hierdie metings), en die analoog -sein lei na A2. Bo -aan die kode kan u die naam van u monster en die monsterdatum verander. Om die resultate te sien, druk die seriële monitorknoppie regs bo in die Arduino -lessenaar -koppelvlak.

Alhoewel dit 'n bietjie morsig is, kan u sien hoe ek uiteindelik elke komponent van die Arduino -stroombaan verbind het. Ek het twee broodborde gebruik, maar jy kan maklik met net een doen. Boonop is my LED -ligbron aan die Arduino gekoppel, maar u kan 'n ander kragtoevoer gebruik as u sou verkies.

Stap 12: Plaas u monsterhouer in die omhulsel van die lêer

Die laaste stap om u tuisgemaakte spektrofotometer te skep, is om die monsterhouer in die omhulsel van die lêer te plaas. Ek sny 'n klein spleet in die lêer om die drade van die fotoresistor deur te voer. Ek het hierdie laaste stap meer as 'n kuns beskou as 'n wetenskap, aangesien die voorafgaande plasing van elke komponent van die stelsel die posisie van die monsterhouer in die omhulsel van die lêer sal beïnvloed. Plaas die monsterhouer so dat u die spleet in die monsterhouer in lyn kan bring met 'n individuele ligkleur. U kan die Arduino byvoorbeeld plaas sodat oranje lig en groen lig aan weerskante van die spleet uitsteek terwyl slegs geel lig deur die spleet na die fotoresistor gaan. Sodra u 'n plek gevind het waar slegs een kleur vir lig deur die spleet in die monsterhouer gaan, beweeg die monsterhouer sywaarts om die ooreenstemmende liggings vir mekaar te identifiseer (onthou ROYGBV). Gebruik 'n potlood om reguit lyne aan die onderkant van die omhulsel te teken om die plekke te merk waar slegs een kleur lig die fotoresistor kan bereik. Ek het twee Jenga -blokke voor en agter die monsterhouer vasgemaak om te verseker dat ek nie van hierdie merke afwyk as ek metings doen nie.

Stap 13: Toets u tuisgemaakte spektrofotometer - skep 'n spektrum

Ek het verskeie toetse uitgevoer met my tuisgemaakte spektrofotometer. As omgewingsingenieur stel ek belang in waterkwaliteit en neem watermonsters uit 'n klein stroompie by my huis. By die neem van monsters is dit belangrik dat u 'n skoon houer gebruik en dat u agter die houer staan terwyl u die monster neem. Om agter die monster te staan (dws stroomaf van die versamelpunt) help om besmetting van u monster te voorkom en verminder die mate deur u aktiwiteit in die stroom die monster. In een monster (monster A) het ek 'n klein hoeveelheid Miracle-Gro bygevoeg (die hoeveelheid wat geskik is vir binnenshuise plante, gegewe my hoeveelheid monster), en in die ander monster het ek niks bygevoeg nie (monster B). Ek het hierdie monsters in 'n goed beligte kamer laat sit sonder hul deksels om fotosintese moontlik te maak (sodat die deksels nie toegelaat word vir gaswisseling nie). Soos u kan sien, het die monster wat met Miracle-Gro aangevul is, versadig met groen platoniese alge, terwyl die monster sonder Miracle-Gro na ongeveer 15 dae geen noemenswaardige groei ondervind het nie. Nadat dit met alge versadig is, het ek 'n paar van monster A in 50 ml koniese buise verdun en dit in dieselfde goed beligte kamer gelaat sonder hul deksels. Ongeveer 5 dae later was daar reeds merkbare verskille in hul kleur, wat dui op algegroei. Let daarop dat een van die vier verdunnings ongelukkig in die proses verlore gegaan het.

Daar is verskillende soorte alge wat in besoedelde varswater groei. Ek het foto's geneem van die alge met 'n mikroskoop en ek glo dat dit chlorococcum of chlorella is. Minstens een ander soort alge blyk ook teenwoordig te wees. Laat weet my asseblief as u hierdie spesie kan herken!

Nadat ek die alge in monster A gekweek het, het ek 'n klein monster geneem en dit by die proefbuis in die tuisgemaakte spektrofotometer gevoeg. Ek het die uitsette van die Arduino vir elke ligkleur aangeteken en elke uitset geassosieer met die gemiddelde golflengte van elke kleurreeks. Dit is:

Rooi lig = 685 nm

Oranje lig = 605 nm

Geel lig = 580 nm

Groen lig = 532,5 nm

Blou lig = 472,5 nm

Violet lig = 415 nm

Ek het ook die uitsette van die Arduino vir elke ligkleur aangeteken toe 'n monster Deer Park -water in die monsterhouer geplaas is.

Met behulp van Beer se wet het ek die absorbansiewaarde vir elke meting bereken deur die basis-10-logaritme van die kwosiënt van die Deep Park-waterabsorbering te deel gedeel deur die monster A-absorbansie. Ek het die absorpsiewaardes verskuif sodat die laagste waarde se absorbansie nul was, en die resultate geteken. U kan hierdie resultate vergelyk met die absorptiespektrum van algemene pigmente (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats en Astrobiology.) Om die tipes pigmente te probeer raai vervat in die alge -monster.

Stap 14: Toets u tuisgemaakte spektrofotometer - ontsmetting -eksperiment

Met u tuisgemaakte spektrofotometer kan u verskillende aktiwiteite uitvoer. Hier het ek 'n eksperiment gedoen om te sien hoe die alge verval as dit blootgestel word aan verskillende konsentrasies bleikmiddel. Ek gebruik 'n produk met 'n natriumhypochloriet (dws bleikmiddel) konsentrasie van 2,40%. Ek het begin deur 50 ml monster A by 50 ml koniese buise te voeg. Daarna het ek verskillende hoeveelhede van die bleikmiddeloplossing by die monsters gevoeg en metings gedoen met behulp van die spektrofotometer. Deur 4 ml en 2 ml van die bleikmiddeloplossing by die monsters te voeg, het die monsters byna onmiddellik helder geword, wat dui op byna onmiddellike ontsmetting en deaktivering van die alge. Deur slegs 1 ml en 0,5 ml (ongeveer 15 druppels uit 'n pipet benader) van die bleikmiddeloplossing by die monsters te voeg, is genoeg tyd toegelaat om metings te doen met behulp van die tuisgemaakte spektrofotometer en modelverval as 'n funksie van tyd. Voordat ek dit gedoen het, het ek die prosedure in die laaste stap gebruik om 'n spektrum vir die bleikoplossing op te stel en vasgestel dat die golflengte van die oplossing by rooi lig laag genoeg is om min alge -deaktivering te benader met behulp van absorpsie by die golflengtes van rooi lig. By rooi lig was die agtergrondlesing van die Arduino 535 [-]. Deur verskeie metings te neem en die Wet van Beer toe te pas, kon ek die twee kurwes wat getoon is, konstrueer. Let op dat die absorberingswaardes verskuif is sodat die laagste geabsorbeerde waarde 0 is.

As 'n hemositometer beskikbaar is, kan toekomstige eksperimente gebruik word om 'n lineêre regressie te ontwikkel wat die absorpsie van die selkonsentrasie in monster A. in verband bring..

Stap 15: Belangrike wegneemetes

Deur hierdie projek het ek my kennis uitgebrei oor beginsels wat fundamenteel is vir omgewingsbiologie en ekologie. Hierdie eksperiment het my in staat gestel om my begrip van die groei en verval kinetika van foto -outotrofe in wateromgewings verder te ontwikkel. Boonop het ek tegnieke in steekproefneming en ontleding van die omgewing beoefen terwyl ek meer geleer het oor die meganismes waarmee instrumente soos spektrofotometers werk. Terwyl ek monsters onder die mikroskoop ontleed het, het ek meer geleer oor die mikro -omgewings van organismes en het ek kennis gemaak met die fisiese strukture van individuele spesies.