Házi készítésű Jenga blokk spektrofotométer algák kísérleteihez: 15 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:40

Az algák fotoszintetikus protisták, és mint ilyenek, kritikus élőlények a vízi táplálékláncokban. A tavaszi és nyári hónapokban azonban ezek és más mikroorganizmusok megsokszorozhatják és eláraszthatják a természetes vízkészleteket, ami oxigénhiányhoz és mérgező anyagok képződéséhez vezethet. Ezen organizmusok növekedési ütemének megértése hasznos lehet a vízkészletek védelmében, valamint az erejüket hasznosító technológiák kifejlesztésében. Ezenkívül ezeknek a szervezeteknek a deaktiválódási sebességének megértése hasznos lehet a víz- és szennyvízkezelésben. Ebben a vizsgálatban megpróbálok olcsó spektrofotométert készíteni, hogy elemezzem a klórtartalmú fehérjéknek kitett szervezetek bomlási sebességét a Park Creek-ből Horsham-ben, Pennsylvania államban vett vízben. A helyszínről összegyűjtött patakvíz mintát tápanyagkeverékkel megtermékenyítik, és napfényben hagyják, hogy elősegítsék az algák növekedését. A házi készítésű spektrofotométer lehetővé teszi, hogy a különálló hullámhosszúságú fény áthaladjon a minta fioláján, mielőtt az Arduino áramkörhöz csatlakoztatott fotorezisztor észlelné. A mintában lévő élőlények sűrűségének növekedésével a minta által elnyelt fény mennyisége várhatóan növekedni fog. Ez a gyakorlat hangsúlyozni fogja az elektronika, az optika, a biológia, az ökológia és a matematika fogalmait.

A spektrofotométer ötletét a Satchelfrost Instructable „Student Spectrophotometer” -jéből és Daniel R. Albert, Michael A. Todt és H. Floyd Davis „A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer” című dokumentumából fejlesztettem ki.

1. lépés: Hozza létre a fényút keretét

Ennek az utasításnak az első lépése egy fényút keret létrehozása hat Jenga blokkból és szalagból. A fényút keretet a fényforrás, a nagyítóberendezés és a CD diffrakciós rács elhelyezésére és támogatására használják. Hozzon létre két hosszú csíkot úgy, hogy három Jenga blokkot egy sorba illeszt, ahogy az első képen látható. Ragassza össze ezeket a csíkokat a második képen látható módon.

2. lépés: Hozzon létre egy alapot a nagyítóeszközhöz, és rögzítse azt a fényút keretéhez

A nagyítóeszközt a fénypálya keretéhez kell rögzíteni, és koncentrálni kell a LED által kibocsátott fényt, mielőtt elszakadna a CD -től. Ragasztjon össze két Jenga blokkot úgy, hogy az egyik blokk közepe derékszögben legyen a másik blokk végével, amint az az első képen látható. Csatlakoztassa a nagyító eszközt ehhez az alaphoz szalaggal a harmadik képen látható módon. Egy kicsi, olcsó nagyítót használtam, ami már több éve van. Miután a nagyító eszközt az alapjához rögzítettem, ragasztottam a nagyító eszközt a fényút keretéhez. A nagyítót 13,5 cm -re helyeztem el a fényút keretének szélétől, de előfordulhat, hogy a nagyító gyújtótávolságától függően más helyzetben kell rögzítenie a készüléket.

3. lépés: Hozza létre fényforrását

Annak érdekében, hogy korlátozzam a CD-diffrakciós rácsot és a fényellenállást elérő nem tömény fény mennyiségét, elektromos szalaggal rögzítettem egy fehér LED-izzót egy fekete tollsapkában, amelynek tetején kis lyuk volt. Az első képen a LED látható, a második képen a ragasztott LED toll sapka látható. Kicsi elektromos szalagdarabokat használtam, hogy megakadályozzam a fényt a LED hátsó részéből, ahol az anód és a katód vezetékek vannak.

A LED-toll sapkájának létrehozása után a LED-et egy 220 ohmos ellenálláshoz és áramforráshoz rögzítettem. A LED -et egy Arduino Uno mikrokontroller 5 V -os és földi csatlakozásához kötöttem, de bármilyen külső egyenáramú áramforrás használható. Az ellenállás fontos a LED -lámpa kiégésének megakadályozásához.

4. lépés: Rögzítse a fényforrást a fényút keretéhez

Ragaszoljon egy másik Jenga blokkot a fényút keretének vége felé, hogy platformot biztosítson a fényforrás számára. Az én beállításomban a fényforrást tartó Jenga blokk körülbelül 4 cm-re helyezkedett el a fényút keretétől. Amint a második képen látható, a fényforrás helyes elhelyezése olyan, hogy a fénysugár a nagyítóeszközön keresztül fókuszál a fényút keret ellentétes végén, ahol a CD diffrakciós rács lesz.

5. lépés: Helyezze a fényút keretét, a nagyító eszközt és a fényforrást a fájldobozba

Használjon iratdobozt vagy más, lezárható, átlátszatlan oldalú tartályt burkolatként a spektrofotométer minden egyes alkatrészének megtartásához. Az ábrán látható módon szalaggal rögzítettem a fényút keretét, a nagyító eszközt és a fényforrást az irattartó dobozában. Egy Jenga blokkot használtam a fénypálya keretének hozzárendeléséhez, körülbelül 2,5 cm -re az irattartó doboz belső falának szélétől (a Jenga blokkot kizárólag távolságra használták, és később eltávolították).

6. lépés: Vágja le és helyezze el a CD diffrakciós rácsát

Hobbikéssel vagy ollóval vágjon egy CD -t négyzetre, fényvisszaverő arccal és körülbelül 2,5 cm hosszú oldalakkal. Szalaggal rögzítse a CD -t a Jenga blokkhoz. Játsszon a Jenga blokk és a CD diffrakciós rács elhelyezésével, hogy úgy pozícionálja, hogy szivárványt vetítsen az irattartó dobozának ellenkező falára, amikor a LED -forrásból érkező fény rácsap. A mellékelt képek azt mutatják, hogyan helyeztem el ezeket az alkatrészeket. Fontos, hogy a vetített szivárvány viszonylag vízszintes legyen, ahogy az utolsó képen látható. A vonalzó és a ceruza vázlata az irattartó doboz falának belsejében segíthet annak meghatározásában, hogy a vetítés vízszintes -e.

7. lépés: Hozza létre a mintatartót

Nyomtassa ki a mellékelt dokumentumot, és ragasztja vagy ragasztja a papírt egy kartonlapra. Ollóval vagy hobbikéssel vágja keresztbe a kartonpapírt. Vágja át a kartont a kereszt közepén lévő nyomtatott vonalak mentén. Ezenkívül vágjon kis réseket azonos magasságban a karton kereszt két karjának közepén, az ábrán látható módon; ezek a rések lehetővé teszik, hogy a diszkrét hullámhosszú fény áthaladjon a mintán a fényellenálláshoz. Szalagot használtam, hogy a karton szilárdabb legyen. Hajtsa a kartont a kották mentén, és ragassza fel úgy, hogy téglalap alakú mintatartó legyen. A mintatartónak szorosan illeszkednie kell egy üveg kémcső köré.

8. lépés: Hozzon létre és rögzítsen egy alapot a mintatartóhoz

Ragasszon össze három Jenga blokkot, és rögzítse a szerelvényt a mintatartóhoz az ábrán látható módon. Győződjön meg arról, hogy a rögzítés elég erős ahhoz, hogy a karton mintatartó ne váljon le a Jenga blokk alapjáról, amikor a kémcsövet kihúzzák a mintatartóból.

9. lépés: Adja hozzá a fényellenállást a mintatartóhoz

A fényellenállások fényvezetőek, és a fényintenzitás növekedésével csökkentik az általuk nyújtott ellenállást. A fényellenállást egy kis, fából készült házba ragasztottam, de a ház nem szükséges. Ragassza be a hátsó fényellenállást úgy, hogy érzékelő felülete közvetlenül a mintatartóban levágott résen legyen. Próbálja úgy elhelyezni a fényellenállást, hogy a minta és a minta tartó résein való áthaladás után a lehető legtöbb fény érje azt.

10. lépés: Csatlakoztassa a fényellenállást

A fényellenállás bekötéséhez az Arduino áramkörbe először elvágtam és lecsupaszítottam egy régi USB nyomtatókábel vezetékét. Három tömböt ragasztottam össze az ábrán látható módon, majd ehhez a bázishoz rögzítettem a lecsupaszított vezetékeket. Két tompacsatlakozással csatlakoztattam az USB nyomtatókábel vezetékeit a fényellenállás csatlakozóihoz, és összeragasztottam az alapokat, hogy egy egységet alkossanak (a negyedik képen látható módon). Bármilyen hosszú vezeték használható a nyomtatókábel vezetékei helyett.

Csatlakoztassa a fényellenállásból származó egyik vezetéket az Arduino 5 V -os kimenetéhez. Csatlakoztassa a másik vezetéket a fényellenállásból az Arduino egyik analógjához vezető vezetékhez. Ezután párhuzamosan adjon hozzá egy 10 kilométeres ellenállást, és csatlakoztassa az ellenállást az Arduino földi csatlakozójához. Az utolsó ábra szemlélteti, hogyan lehet ezeket a kapcsolatokat létrehozni (hitelt az circuit.io -nak).

11. lépés: Csatlakoztassa az összes alkatrészt az Arduino -hoz

Csatlakoztassa számítógépét az Arduino -hoz, és töltse fel a mellékelt kódot. Miután letöltötte a kódot, beállíthatja igényeinek és preferenciáinak megfelelően. Jelenleg az Arduino 125 mérést végez minden egyes futtatásakor (a végén ezeket a méréseket is átlagolja), és analóg jelben A2 -re vezet. A kód tetején módosíthatja a minta nevét és a minta dátumát. Az eredmények megtekintéséhez nyomja meg a soros monitor gombot az Arduino asztali felület jobb felső sarkában.

Bár kissé rendetlen, láthatja, hogyan kötöttem össze az Arduino áramkör minden összetevőjét. Két kenyérsütőt használtam, de könnyen megteheted az egyiket. Ezenkívül a LED -es fényforrásom az Arduino -hoz van csatlakoztatva, de ha szükséges, használhat másik tápegységet is.

12. lépés: Helyezze a mintatartót az irattartó dobozába

A házi készítésű spektrofotométer elkészítésének utolsó lépése a mintatartó elhelyezése az irattartó dobozában. Vágtam egy kis rést az irattartó dobozba, hogy átvezethessem a vezetéket a fényellenálláson. Ezt az utolsó lépést inkább művészetként, mint tudományként kezeltem, mivel a rendszer egyes elemeinek előzetes elhelyezése befolyásolja a mintatartó helyzetét az irattartó dobozában. Helyezze el a mintatartót úgy, hogy a mintatartóban lévő rést illessze az egyedi színű fényhez. Például az Arduino -t úgy helyezheti el, hogy a narancssárga és a zöld fény a rés mindkét oldalára vetüljön, miközben csak a sárga fény jut át a résen a fényellenállásba. Ha megtalálta azt a helyet, ahol csak egy színű fény halad át a mintatartó résén, mozgassa a mintatartót oldalirányban, hogy azonosítsa a megfelelő helyeket egymás színéhez (ne feledje, ROYGBV). Rajzoljon ceruzával egyenes vonalakat az irattartó doboza aljára, és jelölje meg azokat a helyeket, ahol csak egy színű fény érheti el a fényellenállást. Két Jenga tömböt ragasztottam le a mintatartó előtt és mögött, hogy megbizonyosodjak arról, hogy nem tértem el ettől a jelöléstől a leolvasás során.

13. lépés: Tesztelje házi spektrofotométerét - Készítsen spektrumot

Több tesztet is elvégeztem a házi spektrofotométerrel. Környezetmérnökként érdekel a víz minősége, és vettem vízmintákat egy kis patakból a házam mellett. Mintavételkor fontos, hogy tiszta edényt használjon, és a mintavétel során a tartály mögött álljon. A minta mögött állva (azaz a gyűjtőponttól lefelé) segít megelőzni a minta szennyeződését, és csökkenti annak mértékét, hogy a folyamban végzett tevékenysége milyen hatással van a mintára. Az egyik mintába (A minta) kis mennyiségű Miracle-Gro-t adtam hozzá (a beltéri növényeknek megfelelő mennyiség, a mintatérfogatom alapján), a másik mintában pedig semmit (B minta). Ezeket a mintákat jól megvilágított helyiségben hagytam, fedő nélkül, hogy lehetővé tegyék a fotoszintézist (a fedél leállítása gázcserére megengedett). Mint látható, a képeken a Miracle-Gro-val kiegészített minta telített lett zöld platonikus algákkal, míg a Miracle-Gro nélküli minta körülbelül 15 nap elteltével nem tapasztalt jelentős növekedést. Miután algával telítették, az A minta egy részét 50 ml-es kúpos csövekben hígítottam, és ugyanabban a jól megvilágított helyiségben hagytam, fedő nélkül. Körülbelül 5 nappal később már észrevehető különbségek voltak a színükben, ami az algák növekedését jelzi. Vegye figyelembe, hogy a négy hígítás egyike sajnos elveszett a folyamat során.

A szennyezett édesvizekben különböző típusú algafajok léteznek. Fotókat készítettem az algákról mikroszkóp segítségével, és úgy gondolom, hogy azok vagy klorokokok vagy klorellák. Úgy tűnik, legalább egy másik algafaj is jelen van. Kérem, tudassa velem, ha képes azonosítani ezeket a fajokat!

Miután az algákat az A mintában megnöveltem, vettem belőle egy kis mintát, és a házi készítésű spektrofotométerben hozzáadtam a kémcsőhöz. Rögzítettem az Arduino kimeneteit minden fényszínhez, és minden egyes kimenetet az egyes színtartományok átlagos hullámhosszához társítottam. Vagyis:

Vörös fény = 685 nm

Narancssárga fény = 605 nm

Sárga fény = 580 nm

Zöld fény = 532,5 nm

Kék fény = 472,5 nm

Ibolya fény = 415 nm

Rögzítettem az Arduino kimenetét is minden fényszínhez, amikor egy minta Deer Park vizet helyeztünk a mintatartóba.

Beer törvénye alapján kiszámítottam az egyes mérések abszorbanciaértékét úgy, hogy a Deep Park vízabszorbancia hányadosának 10-es alapú logaritmusát vettem el az A minta abszorbanciájával. Az abszorbancia értékeket eltoltam úgy, hogy a legalacsonyabb érték abszorbanciája nulla legyen, és ábrázoltam az eredményeket. Összehasonlíthatja ezeket az eredményeket a közönséges pigmentek abszorbancia spektrumával (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.), Hogy megpróbálja kitalálni a pigmentek típusait. az algamintában található.

14. lépés: Tesztelje házi spektrofotométerét - fertőtlenítési kísérlet

A házi spektrofotométerrel különféle tevékenységeket végezhet. Itt végeztem egy kísérletet, hogy lássam, hogyan bomlanak le az algák, amikor különböző koncentrációjú fehérítőnek vannak kitéve. Olyan terméket használtam, amelynek nátrium -hipoklorit (azaz fehérítő) koncentrációja 2,40%volt. Először 50 ml A mintát adtam 50 ml kúpos csövekhez. Ezután különböző mennyiségű fehérítő oldatot adtam a mintákhoz, és spektrofotométerrel végeztem méréseket. A mintákhoz 4 ml és 2 ml fehérítő oldat hozzáadásával a minták szinte azonnal kitisztultak, ami az algák szinte azonnali fertőtlenítését és deaktiválását jelzi. Ha csak 1 ml -t és 0,5 ml -t (hozzávetőleg 15 csepp pipettából) adunk a mintákhoz, elegendő időt hagyunk a mérések elvégzésére a házi készítésű spektrofotométerrel, és a modell bomlása az idő függvényében. Mielőtt ezt megtenném, az utolsó lépésben leírt eljárást használtam a fehérítő oldat spektrumának létrehozásához, és megállapítottam, hogy az oldat hullámhossza vörös fénynél elég alacsony ahhoz, hogy kevés zavar legyen az algák deaktiválásának közelítésében, a vörös hullámhosszúságú abszorbancia használatával. könnyű. Vörös fénynél az Arduino háttérleolvasása 535 [-] volt. Több mérés elvégzése és a Beer -törvény alkalmazása lehetővé tette számomra a két görbe felépítését. Vegye figyelembe, hogy az abszorbancia értékeket eltolták, így a legalacsonyabb elnyelt érték 0.

Ha rendelkezésre áll hemocitométer, akkor a jövőbeni kísérletek segítségével lineáris regressziót lehet kifejleszteni, amely az abszorbanciát a sejtek koncentrációjához viszonyítja az A mintában. Ezt az összefüggést a Watson-Crick egyenletben lehet használni az algák deaktiválására szolgáló CT-érték meghatározásához fehérítő segítségével.

15. lépés: Kulcsfontosságú elvitel

E projekt révén bővítettem ismereteimet a környezetbiológia és az ökológia alapvető elveiről. Ez a kísérlet lehetővé tette számomra, hogy továbbfejlesszem a fotoautotrófok növekedési és bomlási kinetikájának megértését vízi környezetben. Ezenkívül a környezeti mintavétel és elemzés technikáit gyakoroltam, miközben többet megtudtam azokról a mechanizmusokról, amelyek lehetővé teszik olyan eszközök használatát, mint a spektrofotométerek. Mikroszkóp alatti minták elemzése során többet megtudtam az élőlények mikrokörnyezetéről, és megismerkedtem az egyes fajok fizikai szerkezetével.