Domowy spektrofotometr blokowy Jenga do eksperymentów z algami: 15 kroków

2025 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2025-01-23 15:02

Algi są fotosyntetycznymi protistami i jako takie są krytycznymi organizmami w wodnych łańcuchach pokarmowych. Jednak w miesiącach wiosennych i letnich te i inne mikroorganizmy mogą się namnażać i przytłaczać naturalne zasoby wody, powodując ubytek tlenu i produkcję substancji toksycznych. Zrozumienie tempa wzrostu tych organizmów może być przydatne w ochronie zasobów wodnych, a także w opracowywaniu technologii wykorzystujących ich moc. Ponadto zrozumienie tempa dezaktywacji tych organizmów może być przydatne w oczyszczaniu wody i ścieków. W tym badaniu spróbuję zbudować tani spektrofotometr do analizy tempa rozpadu organizmów wystawionych na działanie wybielacza chlorowego w wodzie pobranej z Park Creek w Horsham w Pensylwanii. Próbka wody ze strumienia pobrana z miejsca zostanie nawożona mieszaniną składników odżywczych i pozostawiona na słońcu, aby pobudzić wzrost glonów. Domowy spektrofotometr umożliwi przechodzenie światła o dyskretnych długościach fal przez fiolkę z próbką, zanim zostanie wykryte przez fotorezystor podłączony do obwodu Arduino. Wraz ze wzrostem gęstości organizmów w próbce oczekuje się, że ilość światła zaabsorbowanego przez próbkę wzrośnie. To ćwiczenie będzie kładło nacisk na pojęcia z dziedziny elektroniki, optyki, biologii, ekologii i matematyki.

Pomysł na mój spektrofotometr opracowałem na podstawie Instructable „Student Spectrophotometer” Satchelfrost oraz artykułu „A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer” Daniela R. Alberta, Michaela A. Todta i H. Floyda Davisa.

Krok 1: Stwórz swoją ramkę ścieżki światła

Pierwszym krokiem w tym Instructable jest stworzenie ramy ścieżki światła z sześciu bloków Jenga i taśmy. Rama ścieżki światła będzie używana do pozycjonowania i podtrzymywania źródła światła, urządzenia powiększającego i siatki dyfrakcyjnej CD. Utwórz dwa długie paski, przyklejając trzy bloki Jenga w linii, jak pokazano na pierwszym obrazku. Sklej te paski razem, jak pokazano na drugim zdjęciu.

Krok 2: Utwórz podstawę dla swojego urządzenia powiększającego i przymocuj go do ramy ścieżki światła

Urządzenie powiększające zostanie przymocowane do ramy ścieżki światła i skoncentruje światło emitowane przez diodę LED przed ugięciem się na płycie CD. Sklej razem dwa bloki Jenga tak, aby środek jednego bloku był pod kątem prostym do końca innego bloku, jak pokazano na pierwszym obrazku. Przymocuj urządzenie powiększające do tej podstawy za pomocą taśmy, jak pokazano na trzecim obrazie. Użyłem małej, niedrogiej lupy, którą mam od kilku lat. Po przymocowaniu urządzenia powiększającego do jego podstawy, przykleiłem urządzenie powiększające do ramy ścieżki światła. Umieściłem urządzenie powiększające w odległości 13,5 cm od krawędzi ramki ścieżki światła, ale może być konieczne ustawienie urządzenia w innej pozycji w zależności od ogniskowej szkła powiększającego.

Krok 3: Stwórz swoje źródło światła

Aby ograniczyć ilość nieskoncentrowanego światła, które może dotrzeć do siatki dyfrakcyjnej CD i fotorezystora, użyłem taśmy elektrycznej, aby zamocować białą żarówkę LED w czarnej nasadce długopisu, która miała mały otwór na górze. Pierwszy obraz przedstawia diodę LED, drugi obraz przedstawia naklejoną nasadkę pióra LED. Użyłem małych kawałków taśmy elektrycznej, aby zapobiec świeceniu światła z tyłu diody LED, gdzie znajdują się przewody anody i katody.

Po stworzeniu nakładki na długopis LED podłączyłem diodę do 220-omowego rezystora i źródła zasilania. Podłączyłem diodę LED do 5 V i uziemienia mikrokontrolera Arduino Uno, ale można użyć dowolnego zewnętrznego źródła zasilania DC. Rezystor jest ważny, aby zapobiec przepaleniu się diody LED.

Krok 4: Przymocuj źródło światła do ramy ścieżki światła

Przyklej kolejny blok Jenga w pobliżu końca ramy ścieżki światła, aby zapewnić platformę dla źródła światła. W mojej konfiguracji blok Jenga podtrzymujący źródło światła znajdował się około 4 cm od krawędzi ramy ścieżki światła. Jak pokazano na drugim obrazie, prawidłowe umieszczenie źródła światła jest takie, że wiązka światła skupia się przez urządzenie powiększające na przeciwległym końcu ramki ścieżki światła, gdzie będzie siatka dyfrakcyjna CD.

Krok 5: Umieść ramkę ścieżki światła, urządzenie powiększające i źródło światła w obudowie skrzynki na pliki

Użyj pudełka na dokumenty lub innego zamykanego pojemnika z nieprzezroczystymi bokami jako obudowy do przechowywania każdego z elementów spektrofotometru. Jak pokazano na rysunku, użyłem taśmy do zabezpieczenia ramki ścieżki świetlnej, urządzenia powiększającego i źródła światła w obudowie skrzynki na dokumenty. Użyłem jednego klocka Jenga, aby odsunąć ramkę ścieżki światła około 2,5 cm od krawędzi wewnętrznej ściany pudełka na akta (klocek Jenga służył wyłącznie do rozstawu i został później usunięty).

Krok 6: Wytnij i ustaw siatkę dyfrakcyjną CD

Użyj noża hobbystycznego lub nożyczek, aby wyciąć płytę CD na kwadrat z odblaskową powierzchnią i bokami o długości około 2,5 cm. Użyj taśmy, aby przymocować płytę CD do bloku Jenga. Baw się ustawieniem bloku Jenga i siatki dyfrakcyjnej CD, aby ustawić go tak, aby wyświetlał tęczę na przeciwległej ścianie obudowy skrzynki na dokumenty, gdy padnie na niego światło ze źródła LED. Załączone zdjęcia pokazują, jak umieściłem te komponenty. Ważne jest, aby rzutowana tęcza była względnie równa, jak pokazano na ostatnim rysunku. Linijka i szkic ołówkiem po wewnętrznej stronie ścianki skrzynki na akta mogą pomóc w określeniu, kiedy rzut jest równy.

Krok 7: Utwórz uchwyt próbki

Wydrukuj załączony dokument i przyklej lub przyklej papier do kawałka kartonu. Użyj nożyczek lub noża hobbystycznego, aby wyciąć karton na kształt krzyża. Natnij karton wzdłuż nadrukowanych linii pośrodku krzyża. Dodatkowo wytnij małe szczeliny na równych wysokościach w środku dwóch ramion tekturowego krzyża, jak pokazano; szczeliny te pozwolą na przechodzenie przez próbkę do fotorezystora dyskretnych fal światła. Użyłem taśmy, aby wzmocnić karton. Złóż karton wzdłuż nacięć i zaklej go tak, aby powstał prostokątny uchwyt na próbki. Uchwyt próbki powinien ściśle przylegać do szklanej probówki.

Krok 8: Utwórz i przymocuj podstawę dla uchwytu próbki

Sklej taśmą trzy bloki Jenga i przymocuj zespół do uchwytu próbki, jak pokazano. Upewnij się, że mocowanie jest wystarczająco mocne, aby tekturowy uchwyt próbki nie oddzielił się od podstawy bloku Jenga podczas wyciągania probówki z uchwytu próbki.

Krok 9: Dodaj fotorezystor do uchwytu próbki

Fotorezystory są fotoprzewodzące i zmniejszają rezystancję, jaką zapewniają wraz ze wzrostem natężenia światła. Fotorezystor wkleiłem w małą, drewnianą obudowę, ale obudowa nie jest potrzebna. Przyklej tylny fotorezystor tak, aby jego powierzchnia czujnikowa znajdowała się bezpośrednio na szczelinie wyciętej w uchwycie próbki. Postaraj się ustawić fotorezystor tak, aby jak najwięcej światła padało na niego po przejściu przez próbkę i szczeliny uchwytu próbki.

Krok 10: Podłącz fotorezystor

Aby podłączyć fotorezystor w obwodzie Arduino, najpierw przeciąłem i zdjąłem przewody starego kabla USB drukarki. Skleiłem razem trzy bloki, jak pokazano, a następnie przymocowałem pozbawione izolacji przewody do tej podstawy. Używając dwóch spawów doczołowych, podłączyłem przewody kabla USB drukarki do zacisków fotorezystora i skleiłem podstawy, tworząc jedną całość (jak pokazano na czwartym obrazku). Zamiast przewodów kabla drukarki można użyć dowolnych długich przewodów.

Podłącz jeden przewód wychodzący z fotorezystora do wyjścia zasilania 5V Arduino. Podłącz drugi przewód z fotorezystora do przewodu prowadzącego do jednego z portów analogowych Arduino. Następnie dodaj równolegle rezystor 10 kiloomów i podłącz rezystor do uziemienia Arduino. Ostatni rysunek koncepcyjnie pokazuje, w jaki sposób można wykonać te połączenia (podziękowanie dla circuit.io).

Krok 11: Podłącz wszystkie komponenty do Arduino

Podłącz komputer do Arduino i prześlij do niego załączony kod. Po pobraniu kodu możesz go dostosować do swoich potrzeb i preferencji. Obecnie Arduino przy każdym uruchomieniu wykonuje 125 pomiarów (na koniec te pomiary również uśrednia), a jego analogowe wyprowadzenia sygnału do A2. W górnej części kodu możesz zmienić nazwę próbki i datę próbki. Aby wyświetlić wyniki, naciśnij przycisk monitora szeregowego w prawym górnym rogu interfejsu pulpitu Arduino.

Chociaż jest to trochę niechlujne, możesz zobaczyć, jak zakończyłem połączenie każdego elementu obwodu Arduino. Użyłem dwóch płytek do krojenia chleba, ale bez problemu można użyć tylko jednej. Dodatkowo moje źródło światła LED jest podłączone do Arduino, ale możesz użyć do niego innego zasilacza, jeśli wolisz.

Krok 12: Umieść uchwyt na próbki w obudowie skrzynki na dokumenty

Ostatnim krokiem w tworzeniu domowego spektrofotometru jest umieszczenie uchwytu próbki w obudowie pudełka na akta. Wyciąłem małą szczelinę w skrzynce na akta, aby przepuścić przez nią przewody z fotorezystora. Ten ostatni krok potraktowałem bardziej jako sztukę niż naukę, ponieważ wcześniejsze umieszczenie każdego elementu systemu wpłynie na ustawienie uchwytu próbki w obudowie skrzynki na dokumenty. Ustaw uchwyt próbki tak, aby można było wyrównać szczelinę w uchwycie próbki z indywidualnym kolorem światła. Na przykład możesz ustawić Arduino tak, aby pomarańczowe i zielone światło padały po obu stronach szczeliny, podczas gdy tylko żółte światło przechodziło przez szczelinę do fotorezystora. Po znalezieniu miejsca, w którym tylko jeden kolor światła przechodzi przez szczelinę w uchwycie próbki, przesuń uchwyt próbki w bok, aby zidentyfikować odpowiednie miejsca dla każdego innego koloru (pamiętaj, ROYGBV). Za pomocą ołówka narysuj proste linie wzdłuż dolnej części obudowy pudełka na akta, aby zaznaczyć miejsca, w których tylko jeden kolor światła jest w stanie dotrzeć do fotorezystora. Przykleiłem dwa bloki Jenga przed i za uchwytem na próbki, aby upewnić się, że nie odbiegałem od tych oznaczeń podczas wykonywania odczytów.

Krok 13: Przetestuj swój domowy spektrofotometr - stwórz widmo

Przeprowadziłem kilka testów moim domowym spektrofotometrem. Jako inżynier środowiska interesuję się jakością wody i pobierałem próbki wody z małego strumienia przy moim domu. Podczas pobierania próbek ważne jest, aby używać czystego pojemnika i stać za pojemnikiem podczas pobierania próbek. Stanie za próbką (tj. za punktem poboru) pomaga zapobiegać zanieczyszczeniu próbki i zmniejsza stopień, w jakim aktywność w strumieniu wpływa na próbkę. W jednej próbce (Próbka A) dodałem niewielką ilość Miracle-Gro (ilość odpowiednia dla roślin domowych, biorąc pod uwagę moją objętość próbki), a w drugiej próbce nic nie dodałem (Próbka B). Pozostawiłem te próbki w dobrze oświetlonym pomieszczeniu bez pokrywek, aby umożliwić fotosyntezę (zamknięte pokrywki pozwalają na wymianę gazową). Jak widać na zdjęciach, próbka uzupełniona Miracle-Gro nasyciła się zielonymi algami platonicznymi, natomiast próbka bez Miracle-Gro nie odnotowała żadnego znaczącego wzrostu po około 15 dniach. Po nasyceniu algami, rozcieńczyłem część Próbki A w 50 mL stożkowych probówkach i pozostawiłem je w tym samym dobrze oświetlonym pomieszczeniu bez pokrywek. Około 5 dni później pojawiły się już zauważalne różnice w ich kolorze, wskazujące na wzrost glonów. Zauważ, że jedno z czterech rozcieńczeń zostało niestety utracone w procesie.

W zanieczyszczonych wodach słodkich rosną różne gatunki glonów. Zrobiłem zdjęcia glonom za pomocą mikroskopu i uważam, że to albo chlorokok, albo chlorella. Wydaje się, że obecny jest również co najmniej jeden inny gatunek glonów. Daj mi znać, jeśli jesteś w stanie zidentyfikować te gatunki!

Po wyhodowaniu glonów w Próbce A pobrałem jej małą próbkę i dodałem do probówki w domowej roboty spektrofotometrze. Zarejestrowałem wyjścia Arduino dla każdego koloru światła i powiązałem każde wyjście ze średnią długością fali każdego zakresu kolorów. To jest:

Światło czerwone = 685 nm

Światło pomarańczowe = 605 nm

Światło żółte = 580 nm

Zielone światło = 532,5 nm

Światło niebieskie = 472,5 nm

Światło fioletowe = 415 nm

Nagrałem również wyjścia Arduino dla każdego koloru światła, gdy próbka wody z Deer Park została umieszczona w uchwycie na próbki.

Korzystając z prawa Beera, obliczyłem wartość absorbancji dla każdego pomiaru, biorąc logarytm dziesiętny z ilorazu absorbancji wody Deep Park podzielonej przez absorbancję próbki A. Przesunąłem wartości absorbancji tak, aby absorbancja najniższej wartości wynosiła zero i wykreśliłem wyniki. Możesz porównać te wyniki ze spektrum absorbancji zwykłych pigmentów (Sahoo, D. i Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.), aby spróbować odgadnąć rodzaje pigmentów zawarte w próbce alg.

Krok 14: Przetestuj swój domowy spektrofotometr - eksperyment z dezynfekcją

Za pomocą domowego spektrofotometru możesz wykonywać różne czynności. Tutaj przeprowadziłem eksperyment, aby zobaczyć, jak glony rozkładają się pod wpływem różnych stężeń wybielacza. Użyłem produktu o stężeniu podchlorynu sodu (czyli wybielacza) 2,40%. Zacząłem od dodania 50 ml Próbki A do 50 ml probówek stożkowych. Następnie dodałem do próbek różne ilości roztworu wybielacza i wykonałem pomiary za pomocą spektrofotometru. Dodanie 4 mL i 2 mL roztworu wybielacza do próbek spowodowało, że próbki stały się przejrzyste niemal natychmiast, co wskazuje na prawie natychmiastową dezynfekcję i dezaktywację alg. Dodanie do próbek tylko 1 ml i 0,5 ml (w przybliżeniu 15 kropli z pipety) roztworu wybielacza dało wystarczająco dużo czasu na wykonanie pomiarów przy użyciu domowej roboty spektrofotometru i rozpad modelu w funkcji czasu. Zanim to zrobiłem, zastosowałem procedurę w ostatnim kroku do skonstruowania widma dla roztworu wybielacza i ustaliłem, że długość fali roztworu w świetle czerwonym była wystarczająco niska, aby nie było zakłóceń w przybliżonej dezaktywacji glonów za pomocą absorbancji przy długościach fali czerwonego lekki. Na czerwonym świetle odczyt tła z Arduino wynosił 535 [-]. Wykonanie kilku pomiarów i zastosowanie prawa Beera pozwoliło mi skonstruować dwie pokazane krzywe. Należy zauważyć, że wartości absorbancji zostały przesunięte tak, aby najniższa wartość absorbancji wynosiła 0.

Jeśli dostępny jest hemocytometr, przyszłe eksperymenty można wykorzystać do opracowania regresji liniowej, która wiąże absorbancję ze stężeniem komórek w próbce A. Zależność tę można następnie wykorzystać w równaniu Watsona-Cricka do określenia wartości CT dla dezaktywacji glonów za pomocą wybielacza.

Krok 15: Kluczowe dania na wynos

Dzięki temu projektowi poszerzyłem swoją wiedzę o zasadach fundamentalnych dla biologii i ekologii środowiska. Ten eksperyment pozwolił mi pogłębić wiedzę na temat kinetyki wzrostu i rozpadu fotoautotrofów w środowiskach wodnych. Dodatkowo ćwiczyłem techniki pobierania próbek i analizy środowiskowej, jednocześnie poznając mechanizmy, które umożliwiają działanie narzędziom takim jak spektrofotometry. Analizując próbki pod mikroskopem, lepiej poznałam mikrośrodowisko organizmów i poznałam fizyczne struktury poszczególnych gatunków.