Spektrofotometri i bllokut shtëpiak Jenga për eksperimentet e algave: 15 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:12

Algat janë protistë fotosintetikë dhe, si të tillë, janë organizma kritikë në zinxhirët ushqimorë ujorë. Gjatë muajve të pranverës dhe verës, megjithatë, këto dhe mikroorganizma të tjerë mund të shumohen dhe të mposhtin burimet natyrore të ujit, duke rezultuar në pakësimin e oksigjenit dhe prodhimin e substancave toksike. Kuptimi i shpejtësisë me të cilën rriten këto organizma mund të jetë i dobishëm në mbrojtjen e burimeve ujore si dhe zhvillimin e teknologjive që shfrytëzojnë fuqinë e tyre. Për më tepër, të kuptuarit e shkallës me të cilën këto organizma çaktivizohen mund të jetë e dobishme në trajtimin e ujit dhe ujërave të zeza. Në këtë hetim, unë do të përpiqem të ndërtoj një spektrofotometër me kosto të ulët për të analizuar shkallën e kalbjes së organizmave të ekspozuar ndaj zbardhuesit të klorit në ujë të mostrës nga Park Creek në Horsham, Pensilvani. Një mostër e ujit të përrenjve të mbledhur nga vendi do të fekondohet me një përzierje ushqyese dhe do të lihet në rrezet e diellit për të nxitur rritjen e algave. Spektrofotometri i bërë në shtëpi do të lejojë që drita në gjatësi vale diskrete të kalojë nëpër një shishkë të mostrës para se të zbulohet nga një fotorezistor i lidhur me një qark Arduino. Ndërsa dendësia e organizmave në mostër rritet, sasia e dritës së absorbuar nga mostra pritet të rritet. Ky ushtrim do të theksojë konceptet në elektronikë, optikë, biologji, ekologji dhe matematikë.

Unë e kam zhvilluar idenë për spektrofotometrin tim nga "Spectrophotometer Student" i Instructable nga Satchelfrost dhe letra "A Spectrophotometer Absorbimi Kuantitativ me Kosto të Ulët" nga Daniel R. Albert, Michael A. Todt dhe H. Floyd Davis.

Hapi 1: Krijoni kornizën tuaj të rrugës së dritës

Hapi i parë në këtë Instructable është krijimi i një kornize të rrugës së lehtë nga gjashtë blloqe dhe kasetë Jenga. Korniza e shtegut të dritës do të përdoret për të pozicionuar dhe mbështetur burimin e dritës, pajisjen e zmadhimit dhe grilat e difraksionit të CD. Krijoni dy shirita të gjatë duke prekur tre blloqe Jenga në një rresht siç tregohet në imazhin e parë. Ngjitini këto shirita së bashku siç tregohet në foton e dytë.

Hapi 2: Krijoni një bazë për pajisjen tuaj të zmadhimit dhe bashkojeni atë në kornizën e rrugës së dritës

Pajisja e zmadhimit do të vendoset në kornizën e rrugës së dritës dhe do të përqendrojë dritën e emetuar nga LED para se të shpërndahet nga CD. Bashkojini dy blloqe Jenga të tilla që mesi i një blloku të jetë në një kënd të drejtë me fundin e një blloku tjetër siç tregohet në imazhin e parë. Bashkangjitni pajisjen e zmadhimit në këtë bazë duke përdorur shirit siç tregohet në imazhin e tretë. Kam përdorur një xham zmadhues të vogël, të lirë që kam pasur për disa vjet. Pasi e bashkova pajisjen e zmadhimit në bazën e saj, e fiksova pajisjen e zmadhimit në kornizën e shtegut të dritës. Unë e vendosa pajisjen time të zmadhimit 13.5 cm larg nga buza e kornizës së shtegut të dritës, por mund t'ju duhet ta rregulloni pajisjen tuaj në një pozicion të ndryshëm në varësi të gjatësisë fokale të xhamit zmadhues.

Hapi 3: Krijoni burimin tuaj të dritës

Për të kufizuar sasinë e dritës së papërqendruar që mund të arrijë te grila e difraksionit të CD-së dhe në rezistencën e fotos, kam përdorur shirit elektrik për të rregulluar një llambë të bardhë LED brenda një kapaku të stilolapsit të zi që kishte një vrimë të vogël në pjesën e sipërme. Imazhi i parë tregon LED, imazhi i dytë tregon kapakun e stilolapsit LED. Kam përdorur pjesë të vogla të shiritit elektrik për të parandaluar që drita të shkëlqejë nga pjesa e pasme e LED ku janë telat e anodës dhe katodës.

Pas krijimit të kapakut të stilolapsit LED, unë e bashkova LED në një rezistencë 220-ohm dhe burim energjie. E lidha LED -in në lidhjet 5V dhe tokësore të një mikrokontrolluesi Arduino Uno, por çdo burim i jashtëm i energjisë DC mund të përdoret. Rezistenca është e rëndësishme për të parandaluar që drita LED të digjet.

Hapi 4: Siguroni Burimin e Dritës në Kornizën e Rrugës së Dritës

Shiriti një bllok tjetër Jenga pranë fundit të kornizës së shtegut të dritës për të siguruar një platformë për burimin e dritës. Në konfigurimin tim, blloku Jenga që mbështet burimin e dritës u pozicionua afërsisht 4 cm nga buza e kornizës së rrugës së dritës. Siç tregohet në imazhin e dytë, vendosja e saktë e burimit të dritës është e tillë që rrezja e dritës fokusohet përmes pajisjes së zmadhimit në skajin e kundërt të kornizës së rrugës së dritës, ku do të jetë grila e difraksionit të CD -së.

Hapi 5: Vendosni kornizën e rrugës së dritës, pajisjen e zmadhimit dhe burimin e dritës në kutinë e kutisë së skedarëve

Përdorni një kuti skedari ose një enë tjetër të mbyllshme me anët e errëta si një shtresë për të mbajtur secilën nga përbërësit e spektrofotometrit. Siç tregohet në figurë, unë përdor kasetë për të siguruar kornizën e rrugës së dritës, pajisjen e zmadhimit dhe burimin e dritës në kutinë e kutisë së skedarëve. Kam përdorur një bllok Jenga për të hapësirë kornizën e shtegut të dritës afërsisht 2.5 cm larg nga skaji i murit të brendshëm të kutisë së skedarëve (blloku Jenga u përdor vetëm për ndarje dhe u hoq më vonë).

Hapi 6: Pritini dhe Poziciononi Grilën e Difraksionit të CD -së

Përdorni një thikë hobi ose gërshërë për të prerë një CD në një shesh me një fytyrë reflektuese dhe anët afërsisht 2.5 cm të gjata. Përdorni kasetë për të bashkangjitur CD -në në bllokun Jenga. Luani me pozicionimin e bllokut Jenga dhe grila e difraksionit CD për ta pozicionuar atë në mënyrë që të projektojë një ylber në murin e kundërt të kutisë së skedarit kur drita nga burimi LED e godet atë. Imazhet e bashkangjitura tregojnë se si i pozicionova këto përbërës. Importantshtë e rëndësishme që ylberi i parashikuar të jetë relativisht i nivelit siç tregohet në foton e fundit. Një skicë e sundimtarit dhe lapsit në pjesën e brendshme të murit të kutisë së skedarëve mund të ndihmojë në përcaktimin se kur projeksioni është në nivel.

Hapi 7: Krijoni Mbajtësin e Mostrës

Shtypni dokumentin e bashkangjitur, dhe ngjiteni ose ngjiteni letrën në një copë kartoni. Përdorni një palë gërshërë ose një thikë hobi për të prerë kartonin në një formë kryq. Vlerësoni kartonin përgjatë vijave të shtypura në qendër të kryqit. Për më tepër, prerë çarje të vogla në lartësi të barabarta në mes të dy krahëve të kryqit të kartonit siç tregohet; këto çarje do të lejojnë që gjatësia e valës diskrete të dritës të kalojë përmes mostrës në fotorezistues. Kam përdorur kasetë për ta bërë kartonin më të fortë. Palosni kartonin përgjatë pjesëve dhe ngjiteni në mënyrë që të formohet një mbajtës mostre drejtkëndëshe. Mbajtësi i mostrës duhet të përshtatet fort rreth një epruvete qelqi.

Hapi 8: Krijoni dhe lidhni një bazë për mbajtësin e mostrës

Ngjitini së bashku tre blloqe Jenga dhe bashkojeni montimin në mbajtësin e mostrës siç tregohet. Sigurohuni që shtojca të jetë mjaft e fortë që mbajtësi i mostrës së kartonit të mos ndahet nga baza e bllokut Jenga kur tubi i provës nxirret nga mbajtësi i mostrës.

Hapi 9: Shtoni Photoresistor në Mbajtësin e Mostrës

Fotorezistuesit janë fotokonduktivë dhe zvogëlojnë sasinë e rezistencës që ato japin me rritjen e intensitetit të dritës. E fiksova fotorezistencën në një strehë të vogël prej druri, por strehimi nuk është i nevojshëm. Ngjiteni fotorezistencën e pasme në mënyrë që fytyra e saj shqisore të pozicionohet drejtpërdrejt kundër çarjes që keni prerë në mbajtësen e mostrës. Përpiquni ta vendosni rezistencën e fotos në mënyrë që sa më shumë dritë ta godasë pasi të kaloni nëpër mostrën dhe çarjet e mbajtësit të mostrës.

Hapi 10: Tela Photoresistor

Për të lidhur fotorezistencën në qarkun Arduino, së pari kam prerë dhe hequr telat e një kabllo të vjetër të printerit USB. I bashkova tre blloqe së bashku siç tregohet, dhe pastaj i bashkova telat e zhveshur në këtë bazë. Duke përdorur dy bashkime prapanicash, unë lidha telat e kabllit të printerit USB me terminalet e rezistencës së fotos dhe ngjitën bazat së bashku për të formuar një njësi (siç tregohet në imazhin e katërt). Çdo tela e gjatë mund të përdoret në vend të telave të kabllit të printerit.

Lidhni një tel që del nga fotorezistuesi në daljen e energjisë 5V të Arduino. Lidhni telin tjetër nga rezistenca e fotos në një tel që çon në një nga portet analoge të Arduino. Pastaj, shtoni një rezistencë 10 kilo-ohm paralelisht dhe lidhni rezistencën me lidhjen tokësore të Arduino. Figura e fundit në mënyrë konceptuale tregon se si mund të bëhen këto lidhje (kredit për qarkun.io).

Hapi 11: Lidhni të gjithë përbërësit me Arduino

Lidhni kompjuterin tuaj me Arduino dhe ngarkoni kodin e bashkangjitur në të. Pasi të keni shkarkuar kodin, mund ta rregulloni për t'iu përshtatur nevojave dhe preferencave tuaja. Aktualisht, Arduino merr 125 matje sa herë që funksionon (gjithashtu mesatarizon këto matje në fund), dhe sinjali analog i tij çon në A2. Në krye të kodit, mund të ndryshoni emrin e mostrës tuaj dhe datën e mostrës. Për të parë rezultatet, shtypni butonin e serisë së monitorit në pjesën e sipërme të djathtë të ndërfaqes së desktopit Arduino.

Edhe pse është pak e çrregullt, ju mund të shihni se si përfundova duke lidhur secilin komponent të qarkut Arduino. Kam përdorur dy dërrasa buke, por ju lehtë mund ta bëni me një. Për më tepër, burimi im i dritës LED është i lidhur me Arduino, por ju mund të përdorni një furnizim me energji të ndryshme për të nëse dëshironi.

Hapi 12: Vendoseni Mbajtësin tuaj të Mostrës në Kutinë e Kutisë së Skedarëve

Hapi i fundit në krijimin e spektrofotometrit tuaj shtëpiak është vendosja e mbajtësit të mostrës në kutinë e kutisë së skedarëve. Kam prerë një çarje të vogël në kutinë e skedarëve për të kaluar telat nga fotorezistari. Unë e trajtova këtë hap të fundit si më shumë një art sesa një shkencë, pasi vendosja paraprake e secilit komponent të sistemit do të ndikojë në pozicionimin e mbajtësit të mostrës në kutinë e kutisë së skedarëve. Vendoseni mbajtësin e mostrës në mënyrë që të jeni në gjendje të rreshtoni çarjen në mbajtësin e mostrës me një ngjyrë individuale të dritës. Për shembull, mund ta poziciononi Arduino -n në mënyrë që drita portokalli dhe drita jeshile të shfaqen në të dyja anët e çarjes, ndërsa vetëm drita e verdhë kalon nëpër të çarë në fotorezistues. Pasi të keni gjetur një vend ku vetëm një ngjyrë për dritën kalon nëpër çarjen në mbajtësin e mostrës, lëvizni mbajtësin e mostrës anash për të identifikuar vendet përkatëse për secilën ngjyrë tjetër (mbani mend, ROYGBV). Përdorni një laps për të vizatuar linja të drejta përgjatë pjesës së poshtme të kutisë së skedarit për të shënuar vendet ku vetëm një ngjyrë e dritës është në gjendje të arrijë fotorezistuesin. Kam regjistruar dy blloqe Jenga para dhe pas mbajtësit të mostrës për t'u siguruar që nuk kam devijuar nga këto shenja kur marr lexime.

Hapi 13: Provoni spektrofotometrin tuaj të bërë në shtëpi - Krijoni një spektër

Kam kryer disa teste me spektrofotometrin tim të bërë në shtëpi. Si inxhinier i mjedisit, jam i interesuar për cilësinë e ujit dhe kam marrë mostra uji nga një rrjedhë e vogël pranë shtëpisë sime. Kur merrni mostra, është e rëndësishme që jeni duke përdorur një enë të pastër dhe që të qëndroni prapa enës gjatë marrjes së mostrës. Qëndrimi prapa mostrës (d.m.th., në rrjedhën e poshtme të pikës së grumbullimit) ndihmon në parandalimin e kontaminimit të mostrës tuaj dhe zvogëlon shkallën nga aktiviteti juaj në rrjedhën që ndikon në mostër. Në një mostër (Mostra A), shtova një sasi të vogël të Miracle-Gro (sasia e përshtatshme për bimët e brendshme, duke pasur parasysh vëllimin tim të mostrës), dhe në mostrën tjetër nuk shtova asgjë (Shembulli B). I lashë këto mostra të ulen në një dhomë të ndriçuar mirë pa kapakët e tyre për të lejuar fotosintezën (mbajtja e kapakëve të lejuar për shkëmbimin e gazit). Siç mund ta shihni, në fotografi, mostra që u plotësua me Miracle-Gro u ngop me alga platoni jeshile, ndërsa mostra pa Miracle-Gro nuk përjetoi ndonjë rritje të konsiderueshme pas rreth 15 ditësh. Pasi u ngop me alga, hollova disa nga Mostra A në tuba konike 50 ml dhe i lashë në të njëjtën dhomë të ndriçuar mirë pa kapakët e tyre. Përafërsisht 5 ditë më vonë, tashmë kishte dallime të dukshme në ngjyrën e tyre, duke treguar rritjen e algave. Vini re se një nga katër hollimet fatkeqësisht humbi në këtë proces.

Ekzistojnë lloje të ndryshme të llojeve të algave që rriten në ujërat e ëmbla të ndotura. Kam marrë fotografi të algave duke përdorur një mikroskop dhe besoj se ato janë ose klorokok ose klorella. Të paktën një specie tjetër e algave duket se është gjithashtu e pranishme. Ju lutem më tregoni nëse jeni në gjendje t'i identifikoni këto specie!

Pasi rrita algat në Mostrën A, mora një mostër të vogël të saj dhe e shtova në epruvetën në spektrofotometrin shtëpiak. Regjistrova daljet e Arduino -s për secilën ngjyrë të dritës dhe e lidha secilën dalje me gjatësinë valore mesatare të secilës gamë ngjyrash. Kjo eshte:

Drita e Kuqe = 685 nm

Portokalli Drita = 605 nm

Drita e Verdhë = 580 nm

Drita jeshile = 532.5 nm

Drita Blu = 472.5 nm

Drita Vjollce = 415 nm

Unë gjithashtu regjistrova daljet e Arduino për secilën ngjyrë të dritës kur një mostër e ujit të Deer Park u vendos në mbajtësin e mostrës.

Duke përdorur Ligjin e Birrës, unë llogarita vlerën e absorbimit për secilën matje duke marrë logaritmin bazë-10 të herësit të absorbimit të ujit të Parkut të thellë të ndarë me absorbimin e Mostrës A. I zhvendosa vlerat e absorbimit në mënyrë që thithja e vlerës më të ulët të ishte zero, dhe paraqita rezultatet. Ju mund t'i krahasoni këto rezultate me spektrin e absorbimit të pigmenteve të zakonshme (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) Për t'u përpjekur të hamendësoni llojet e pigmenteve të përfshira në mostrën e algave.

Hapi 14: Provoni spektrofotometrin tuaj të bërë në shtëpi - Eksperimenti i dezinfektimit

Me spektrofotometrin tuaj të bërë në shtëpi ju mund të kryeni një sërë aktivitetesh të ndryshme. Këtu, unë kreva një eksperiment për të parë sesi kalben algat kur ekspozohen ndaj përqendrimeve të ndryshme të zbardhuesit. Kam përdorur një produkt me një përqendrim hipoklorit natriumi (d.m.th., zbardhues) prej 2.40%. Fillova duke shtuar 50 ml Mostër A në tubat konike 50 ml. Pastaj shtova sasi të ndryshme të tretësirës së zbardhuesit në mostra dhe mora matjet duke përdorur spektrofotometrin. Shtimi i 4 ml dhe 2 ml i tretësirës së zbardhuesit në mostra bëri që mostrat të pastrohen pothuajse menjëherë, duke treguar dezinfektim dhe çaktivizim pothuajse të menjëhershëm të algave. Shtimi vetëm 1 ml dhe 0.5 ml (i përafruar me 15 pika nga një pipetë) i tretësirës së zbardhuesit në mostra, lejoi kohë të mjaftueshme për të marrë matje duke përdorur spektrofotometrin shtëpiak dhe prishjen e modelit në funksion të kohës. Para se ta bëja këtë, unë kisha përdorur procedurën në hapin e fundit për të ndërtuar një spektër për zgjidhjen e zbardhuesit dhe përcaktova se gjatësia e valës së zgjidhjes në dritën e kuqe ishte mjaft e ulët saqë do të kishte pak ndërhyrje në përafrimin e çaktivizimit të algave duke përdorur absorbimin në gjatësinë e valës së të kuqes dritë. Në dritën e kuqe, leximi i sfondit nga Arduino ishte 535 [-]. Marrja e disa matjeve dhe zbatimi i Ligjit të Birrës më lejoi të ndërtoja dy kthesat e treguara. Vini re se vlerat e absorbimit u zhvendosën në mënyrë që vlera më e ulët e absorbuar të jetë 0.

Nëse një hemocitometër është i disponueshëm, eksperimentet e ardhshme mund të përdoren për të zhvilluar një regresion linear që lidh absorbimin me përqendrimin e qelizave në Mostrën A. Kjo marrëdhënie mund të përdoret më pas në ekuacionin Watson-Crick për të përcaktuar vlerën CT për çaktivizimin e algave duke përdorur zbardhues Me

Hapi 15: Përfitimet kryesore

Përmes këtij projekti, unë rrita njohuritë e mia mbi parimet themelore për biologjinë dhe ekologjinë mjedisore. Ky eksperiment më lejoi të zhvilloja më tej kuptimin tim për rritjen dhe kinetikën e prishjes së fototautrofeve në mjediset ujore. Për më tepër, praktikova teknika në marrjen e mostrave dhe analizave mjedisore, ndërsa mësova më shumë për mekanizmat që lejojnë mjetet si spektrofotometrat të punojnë. Ndërsa analizoja mostrat nën mikroskop, mësova më shumë për mikro mjediset e organizmave dhe u njoha me strukturat fizike të specieve individuale.