Hjemmelaget Jenga Block -spektrofotometer for algeeksperimenter: 15 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Alger er fotosyntetiske protister og er som sådan kritiske organismer i næringsmiddelkjeder i vann. I løpet av vår- og sommermånedene kan imidlertid disse og andre mikroorganismer formere seg og overvelde naturlige vannressurser, noe som resulterer i oksygenmangel og produksjon av giftige stoffer. Å forstå hvor raskt disse organismene vokser, kan være nyttig for å beskytte vannressurser, samt utvikle teknologier som utnytter kraften deres. I tillegg kan det være nyttig å forstå hastigheten som disse organismer deaktiveres ved behandling av vann og avløp. I denne undersøkelsen vil jeg prøve å bygge et billig spektrofotometer for å analysere forfallshastigheten til organismer som er utsatt for klorblekemiddel i vann som er tatt fra Park Creek i Horsham, Pennsylvania. En prøve av bekkevann samlet fra stedet vil bli gjødslet med en næringsblanding og etterlatt i sollys for å fremme algvekst. Det hjemmelagde spektrofotometeret lar lys ved diskrete bølgelengder passere gjennom et hetteglass med prøven før det oppdages av en fotoresistor koblet til en Arduino -krets. Etter hvert som tettheten av organismer i prøven øker, forventes mengden lys som absorberes av prøven å øke. Denne øvelsen vil legge vekt på begreper innen elektronikk, optikk, biologi, økologi og matematikk.

Jeg har utviklet ideen til mitt spektrofotometer fra Instructable "Student Spectrophotometer" av Satchelfrost og papiret "A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer" av Daniel R. Albert, Michael A. Todt og H. Floyd Davis.

Trinn 1: Lag din lysbaneramme

Det første trinnet i denne instruksjonsboken er å lage en lysbaneramme fra seks Jenga -blokker og tape. Lysbanerammen vil bli brukt til å plassere og støtte lyskilden, forstørrelsesenheten og CD -diffraksjonsgitteret. Lag to lange strimler ved å tape tre Jenga -blokker i en linje som vist på det første bildet. Tape disse stripene sammen som vist på det andre bildet.

Trinn 2: Lag en base for forstørrelsesenheten og fest den til lysbanerammen

Forstørrelsesenheten vil bli festet til lysbanerammen og konsentrere lyset som sendes ut av LED -en før diffraksjon av CD -en. Tape sammen to Jenga -blokker slik at midten av en blokk er i en rett vinkel mot enden av en annen blokk som vist på det første bildet. Fest forstørrelsesenheten til denne basen ved hjelp av tape som vist på det tredje bildet. Jeg brukte et lite, rimelig forstørrelsesglass som jeg har hatt i flere år. Etter å ha festet forstørrelsesenheten til basen, teipet jeg forstørrelsesenheten til lysbanerammen. Jeg plasserte forstørrelsesenheten 13,5 cm fra kanten av lysbanerammen, men du må kanskje fikse enheten i en annen posisjon, avhengig av forstørrelsesglassets brennvidde.

Trinn 3: Lag din lyskilde

For å begrense mengden ikke-konsentrert lys som kan nå CD-diffraksjonsgitteret og fotoresistoren, brukte jeg elektrisk tape til å fikse en hvit LED-pære inne i en svart pennhette som hadde et lite hull i toppen. Det første bildet viser LED-en, det andre bildet viser den tapede LED-pennelokket. Jeg brukte små biter av elektrisk tape for å hindre lys fra å skinne fra baksiden av LED -en der anoden og katodetrådene er.

Etter å ha laget LED-pennelokket, festet jeg LED-en til en 220-ohm motstand og strømkilde. Jeg koblet LED -en til en Arduino Uno mikrokontroller 5V og jordforbindelser, men en ekstern likestrømkilde kan brukes. Motstanden er viktig for å forhindre at LED -lyset brenner ut.

Trinn 4: Fest lyskilden til lysbanerammen

Tape en annen Jenga -blokk nær enden av lysbanerammen for å gi en plattform for lyskilden. I mitt oppsett ble Jenga-blokken som støtter lyskilden plassert omtrent 4 cm fra kanten av lysbanerammen. Som vist i det andre bildet, er den riktige plasseringen av lyskilden slik at lysstrålen fokuserer gjennom forstørrelsesanordningen i den motsatte enden av lysbanerammen der CD -diffraksjonsgitteret vil være.

Trinn 5: Plasser lysbanerammen, forstørrelsesenheten og lyskilden i filboksen

Bruk en filboks eller en annen forseglingsbar beholder med ugjennomsiktige sider som et hus for å holde hver av komponentene i spektrofotometeret. Som vist på figuren brukte jeg tape for å feste lysbanerammen, forstørrelsesenheten og lyskilden i filboksen. Jeg brukte en Jenga -blokk for å plassere lysbanerammen omtrent 2,5 cm fra kanten av filboksen på innsiden av veggen (Jenga -blokken ble utelukkende brukt til mellomrom og ble senere fjernet).

Trinn 6: Klipp og plasser CD -diffraksjonsgitteret

Bruk en hobbykniv eller saks til å klippe en CD i en firkant med et reflekterende ansikt og sider som er omtrent 2,5 cm lange. Bruk tape for å feste CD -en til Jenga -blokken. Lek med posisjoneringen av Jenga -blokken og CD -diffraksjonsgitteret for å plassere den slik at den projiserer en regnbue på den motsatte veggen av arkivhuset når lys fra LED -kilden treffer den. De vedlagte bildene viser hvordan jeg plasserte disse komponentene. Det er viktig at den projiserte regnbuen er relativt jevn som vist på det siste bildet. En linjal og blyantskisse på innsiden av arkivveggen kan hjelpe deg med å bestemme når projeksjonen er plan.

Trinn 7: Lag prøveholderen

Skriv ut det vedlagte dokumentet, og tape eller lim papiret på et stykke papp. Bruk en saks eller en hobbykniv for å kutte pappa i en kryssform. Dra kartongen langs de trykte linjene i midten av korset. Kutt i tillegg små slisser i like høyder i midten av to armer på pappkorset som vist; disse spaltene vil tillate at diskrete bølgelengder av lys passerer gjennom prøven til fotoresistoren. Jeg brukte tape for å gjøre kartongen mer robust. Brett pappet langs skårene og teip det slik at det dannes en rektangulær prøveholder. Prøveholderen skal passe tett rundt et glassprøverør.

Trinn 8: Lag og fest en base for prøveholderen

Tape sammen tre Jenga -blokker og fest enheten til prøveholderen som vist. Sørg for at vedlegget er sterkt nok til at prøvebeholderen i papp ikke skilles fra Jenga -blokkeringen når prøverøret trekkes ut av prøveholderen.

Trinn 9: Legg til fotoresistoren i prøveholderen

Fotoresistorer er fotoledende og reduserer mengden motstand de gir når lysintensiteten øker. Jeg teipet fotoresistoren inn i et lite trehus, men huset er ikke nødvendig. Tape den bakre fotoresistoren slik at dens sanseflate er plassert direkte mot spalten du skar i prøveholderen. Prøv å plassere fotoresistoren slik at så mye lys som mulig treffer den etter å ha passert gjennom prøven og prøveholderens slisser.

Trinn 10: Koble til fotoresistoren

For å koble fotoresistoren i Arduino -kretsen, klippet og fjernet jeg først ledningene til en gammel USB -skriverkabel. Jeg teipet tre blokker sammen som vist, og festet deretter de avisolerte ledningene til denne basen. Ved å bruke to stussskjøter koblet jeg USB -skriverens kabeltråder til fotoresistorens terminaler og teipet basene sammen for å danne en enhet (som vist på det fjerde bildet). Eventuelle lange ledninger kan brukes i stedet for skriverkablets ledninger.

Koble en ledning som kommer fra fotoresistoren til Arduinos 5V utgangseffekt. Koble den andre ledningen fra fotoresistoren til en ledning som fører til en av Arduinos analoge porter. Deretter legger du til en 10 kilo-ohm motstand parallelt og kobler motstanden til Arduino's jordforbindelse. Den siste figuren viser konseptuelt hvordan disse forbindelsene kan opprettes (kreditt til circuit.io).

Trinn 11: Koble alle komponentene til Arduino

Koble datamaskinen til Arduino og last opp den vedlagte koden til den. Når du har lastet ned koden, kan du justere den for å passe dine behov og preferanser. For øyeblikket tar Arduino 125 målinger hver gang den kjøres (den gjennomsnittlig også disse målingene på slutten), og det analoge signalet fører til A2. Øverst i koden kan du endre navnet på prøven og prøvedatoen. For å se resultatene, trykk på den serielle skjermknappen øverst til høyre i Arduino -skrivebordet.

Selv om det er litt rotete, kan du se hvordan jeg endte med å koble hver komponent i Arduino -kretsen. Jeg brukte to brødbrett, men du kan enkelt gjøre med bare ett. I tillegg er min LED -lyskilde koblet til Arduino, men du kan bruke en annen strømforsyning til den hvis du foretrekker det.

Trinn 12: Plasser prøveholderen i filboksen

Det siste trinnet i å lage ditt hjemmelagde spektrofotometer er å plassere prøveholderen i arkivhuset. Jeg kuttet en liten spalte i filboksen for å føre ledningene fra fotoresistoren gjennom. Jeg behandlet dette siste trinnet som mer av en kunst enn en vitenskap, ettersom den tidligere plasseringen av hver komponent i systemet vil påvirke plasseringen av prøveholderen i arkivhuset. Plasser prøveholderen slik at du kan justere spalten i prøveholderen med en individuell lysfarge. For eksempel kan du plassere Arduino slik at oransje lys og grønt lys kommer ut på hver side av spalten mens bare gult lys passerer gjennom spalten til fotoresistoren. Når du har funnet et sted der bare en farge for lyset passerer gjennom spalten i prøveholderen, flytter du prøveholderen til siden for å identifisere de tilsvarende stedene for hver annen farge (husk, ROYGBV). Bruk en blyant til å tegne rette linjer langs bunnen av arkivhuset for å markere stedene der bare en lysfarge kan nå fotoresistoren. Jeg teipet ned to Jenga -blokker foran og bak prøveholderen for å sikre at jeg ikke avvek fra disse merkingene når jeg tok avlesninger.

Trinn 13: Test ditt hjemmelagde spektrofotometer - Lag et spektrum

Jeg kjørte flere tester med mitt hjemmelagde spektrofotometer. Som miljøingeniør er jeg interessert i vannkvalitet og tok vannprøver fra en liten bekk ved huset mitt. Når du tar prøver, er det viktig at du bruker en ren beholder og at du står bak beholderen mens du tar prøver. Å stå bak prøven (dvs. nedstrøms samlingspunktet) bidrar til å forhindre forurensning av prøven og reduserer graden av din aktivitet i strømmen som påvirker prøven. I den ene prøven (prøve A) la jeg til en liten mengde Miracle-Gro (mengden som er passende for innendørs planter, gitt prøvevolumet mitt), og i den andre prøven la jeg ingenting til (prøve B). Jeg lot disse prøvene sitte i et godt opplyst rom uten lokk for å tillate fotosyntese (slik at lokkene ikke var tillatt for gassutveksling). Som du kan se, på bildene, ble prøven som ble supplert med Miracle-Gro mettet med grønne platoniske alger, mens prøven uten Miracle-Gro ikke opplevde noen signifikant vekst etter omtrent 15 dager. Etter at den var mettet med alger, fortynnet jeg noen av prøve A i 50 ml koniske rør og lot dem stå i det samme godt opplyste rommet uten lokkene. Omtrent 5 dager senere var det allerede merkbare forskjeller i fargen, noe som indikerer algevekst. Vær oppmerksom på at en av de fire fortynningene dessverre gikk tapt i prosessen.

Det er forskjellige typer alger som vokser i forurenset ferskvann. Jeg tok bilder av algene ved hjelp av et mikroskop og tror de enten er chlorococcum eller chlorella. Minst en annen algeart ser også ut til å være tilstede. Gi meg beskjed hvis du kan identifisere disse artene!

Etter å ha dyrket algen i prøve A, tok jeg en liten prøve av den og la den til reagensglasset i det hjemmelagde spektrofotometeret. Jeg registrerte Arduino -utgangene for hver lysfarge og knyttet hver utgang til gjennomsnittlig bølgelengde for hvert fargeområde. Det er:

Rødt lys = 685 nm

Oransje lys = 605 nm

Gult lys = 580 nm

Grønt lys = 532,5 nm

Blått lys = 472,5 nm

Fiolett lys = 415 nm

Jeg registrerte også Arduino -utgangene for hver lysfarge da en prøve av Deer Park -vann ble plassert i prøveholderen.

Ved å bruke Beers Law beregnet jeg absorbansverdien for hver måling ved å ta base-10-logaritmen til kvoten for Deep Park-vannabsorbansen dividert med absorbansen av prøve A. Jeg flyttet absorbansverdiene slik at absorbansen til den laveste verdien var null, og tegnet resultatene. Du kan sammenligne disse resultatene med absorbansspekteret av vanlige pigmenter (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algee World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) For å prøve å gjette hvilke typer pigmenter som finnes i alge -prøven.

Trinn 14: Test ditt hjemmelagde spektrofotometer - desinfeksjonseksperiment

Med ditt hjemmelagde spektrofotometer kan du utføre en rekke forskjellige aktiviteter. Her gjennomførte jeg et eksperiment for å se hvordan algen forfaller når de utsettes for forskjellige konsentrasjoner av blekemiddel. Jeg brukte et produkt med en natriumhypokloritt (dvs. blekemiddel) konsentrasjon på 2,40%. Jeg begynte med å legge 50 ml prøve A til 50 ml koniske rør. Jeg tilsatte deretter forskjellige mengder blekemiddel til prøvene og tok målinger ved hjelp av spektrofotometeret. Tilsetning av 4 ml og 2 ml blekemiddel til prøvene førte til at prøvene ble klare nesten umiddelbart, noe som indikerer nesten umiddelbar desinfeksjon og deaktivering av algen. Tilsetning av bare 1 ml og 0,5 ml (tilnærmet med 15 dråper fra en pipette) av blekemiddelløsningen til prøvene, ga nok tid til å ta målinger ved hjelp av hjemmelaget spektrofotometer og modellforfall som en funksjon av tiden. Før jeg gjorde det, hadde jeg brukt fremgangsmåten i det siste trinnet for å konstruere et spektrum for blekemiddelløsningen og fastslått at løsningens bølgelengde ved rødt lys var lav nok til at det ville være liten interferens med tilnærming av algedeaktivering ved hjelp av absorbans ved bølgelengder av rødt lys. Ved rødt lys var bakgrunnslesningen fra Arduino 535 [-]. Ved å ta flere målinger og anvende Beer's Law, fikk jeg konstruere de to kurvene som ble vist. Vær oppmerksom på at absorbansverdiene ble forskjøvet slik at den laveste absorberte verdien er 0.

Hvis et hemocytometer er tilgjengelig, kan fremtidige eksperimenter brukes til å utvikle en lineær regresjon som relaterer absorbans til cellekonsentrasjon i prøve A. Dette forholdet kan deretter brukes i Watson-Crick-ligningen for å bestemme CT-verdien for deaktivering av alger ved hjelp av blekemiddel.

Trinn 15: Viktige takeaways

Gjennom dette prosjektet vokste jeg min kunnskap om prinsipper som er grunnleggende for miljøbiologi og økologi. Dette eksperimentet tillot meg å videreutvikle min forståelse av veksten og forfallskinetikken til fotoautotrofer i vannmiljøer. I tillegg praktiserte jeg teknikker i miljøprøvetaking og analyse mens jeg lærte mer om mekanismene som gjør at verktøy som spektrofotometre kan fungere. Mens jeg analyserte prøver under mikroskopet, lærte jeg mer om organismenes mikromiljøer og ble kjent med de fysiske strukturene til individuelle arter.