Domači Jenga blok -spektrofotometer za eksperimente z algami: 15 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Alge so fotosintetični protisti in so kot take kritični organizmi v vodnih prehranjevalnih verigah. V pomladnih in poletnih mesecih pa se lahko ti in drugi mikroorganizmi razmnožujejo in preplavijo naravne vodne vire, kar povzroči pomanjkanje kisika in proizvodnjo strupenih snovi. Razumevanje hitrosti rasti teh organizmov je lahko koristno pri zaščiti vodnih virov in pri razvoju tehnologij, ki izkoriščajo njihovo moč. Poleg tega je lahko razumevanje stopnje deaktiviranja teh organizmov koristno pri čiščenju vode in odpadnih voda. V tej preiskavi bom poskušal zgraditi poceni spektrofotometer za analizo stopnje razpada organizmov, izpostavljenih klorovemu belilcu v vodi, vzorčeni iz Park Creeka v Horshamu v Pensilvaniji. Vzorec potočne vode, zbran s tega območja, bodo oplodili s hranilno mešanico in pustili na sončni svetlobi, da bi spodbudili rast alg. Domači spektrofotometer bo omogočil, da svetloba z ločenimi valovnimi dolžinami prehaja skozi vialo z vzorcem, preden jo zazna fotorezistor, povezan z vezjem Arduino. Ko se gostota organizmov v vzorcu poveča, se pričakuje, da se bo količina svetlobe, ki jo absorbira vzorec, povečala. Ta vaja bo poudarila koncepte v elektroniki, optiki, biologiji, ekologiji in matematiki.

Idejo za svoj spektrofotometer sem razvil iz poučevalnega "študentskega spektrofotometra" podjetja Satchelfrost in prispevka "A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer" Daniel R. Albert, Michael A. Todt in H. Floyd Davis.

1. korak: Ustvarite svoj okvir svetlobne poti

Prvi korak v tem Instructable je ustvariti okvir svetlobne poti iz šestih blokov Jenga in traku. Okvir svetlobne poti bo uporabljen za postavitev in podporo svetlobnega vira, povečevalne naprave in CD -difrakcijske rešetke. Ustvarite dva dolga traka tako, da nalepite tri bloke Jenga v črto, kot je prikazano na prvi sliki. Te trakove zlepite skupaj, kot je prikazano na drugi fotografiji.

2. korak: Ustvarite osnovo za svojo povečevalno napravo in jo pritrdite na okvir svetlobne poti

Povečevalna naprava bo pritrjena na okvir svetlobne poti in koncentrirala svetlobo, ki jo oddaja LED, preden se loči od CD -ja. Zlepimo dva bloka Jenga tako, da je sredina enega bloka pod pravim kotom do konca drugega bloka, kot je prikazano na prvi sliki. Povečevalno napravo pritrdite na to podlago s trakom, kot je prikazano na tretji sliki. Uporabil sem majhno, poceni povečevalno steklo, ki sem ga imel že nekaj let. Ko sem povečevalno napravo pritrdil na njeno podlago, sem povečevalno napravo pritrdil na okvir svetlobne poti. Povečevalno napravo sem namestil 13,5 cm stran od roba okvirja svetlobne poti, vendar boste morda morali napravo pritrditi na drugačen položaj, odvisno od goriščne razdalje povečevalnega stekla.

3. korak: Ustvarite svoj vir svetlobe

Da bi omejili količino nekoncentrirane svetlobe, ki lahko doseže CD-difrakcijsko rešetko in fotorezistor, sem z električnim trakom pritrdil belo LED žarnico v črni pokrovček peresa, ki je imel na vrhu majhno luknjico. Prva slika prikazuje LED-diodo, druga slika prikazuje zalepljen pokrovček LED-peresa. Uporabil sem majhne koščke električnega traku, da preprečim, da bi svetloba sijala z zadnje strani LED, kjer sta anodna in katodna žica.

Ko sem ustvaril pokrovček za LED-pero, sem LED pritrdil na 220-ohmski upor in vir napajanja. LED sem priključil na 5V in ozemljitvene povezave mikrokrmilnika Arduino Uno, vendar bi lahko uporabili kateri koli zunanji vir enosmerne energije. Upor je pomemben, da prepreči izgorevanje LED luči.

4. korak: Vir svetlobe pritrdite na okvir svetlobne poti

Ob koncu okvirja svetlobne poti prilepite še en Jenga blok, da zagotovite platformo za vir svetlobe. V moji postavitvi je bil blok Jenga, ki podpira vir svetlobe, postavljen približno 4 cm od roba okvirja svetlobne poti. Kot je prikazano na drugi sliki, je pravilna postavitev svetlobnega vira takšna, da se svetlobni žarek osredotoči skozi povečevalno napravo na nasprotnem koncu okvirja svetlobne poti, kjer bo CD -difrakcijska rešetka.

5. korak: Okvir svetlobne poti, povečevalno napravo in vir svetlobe postavite v ohišje polja za datoteke

Za ohišje vsake komponente spektrofotometra uporabite datotečno škatlo ali drugo tesnilno posodo z neprozornimi stranicami. Kot je prikazano na sliki, sem s trakom pritrdil okvir svetlobne poti, povečevalno napravo in vir svetlobe v ohišje škatle za datoteke. Uporabil sem en blok Jenga za postavitev okvirja svetlobne poti približno 2,5 cm stran od roba notranje stene datotek (blok Jenga je bil uporabljen izključno za razmik in je bil kasneje odstranjen).

Korak 6: Izrežite in postavite CD -difrakcijsko rešetko

Z nožem za hobi ali škarjami izrežite CD v kvadrat z odsevno površino in stranicami, dolgimi približno 2,5 cm. CD pritrdite na blok Jenga s trakom. Igrajte se s pozicioniranjem bloka Jenga in CD -difrakcijske rešetke, da ga postavite tako, da prodira mavrico na nasprotno steno ohišja ohišja datotek, ko nanjo zadene svetloba iz vira LED. Priložene slike prikazujejo, kako sem postavil te komponente. Pomembno je, da je projicirana mavrica relativno ravna, kot je prikazano na zadnji sliki. Skica ravnila in svinčnika na notranji strani stene škatle za datoteke lahko pomaga določiti, kdaj je projekcija ravna.

7. korak: Ustvarite imetnik vzorca

Natisnite priloženi dokument in papir lepite ali lepite na kos kartona. Karton razrežite s križem ali škarjami. Karton razrežite vzdolž natisnjenih črt na sredini križa. Poleg tega izrežite majhne reže na enaki višini na sredini dveh krakov kartonskega križa, kot je prikazano; te reže bodo omogočile, da diskretne valovne dolžine svetlobe preidejo skozi vzorec do fotorezistorja. Za lepšo izdelavo kartona sem uporabil trak. Karton prepognite vzdolž ploščic in ga lepite tako, da nastane pravokotno držalo za vzorec. Držalo za vzorec mora biti tesno nameščeno okoli steklene epruvete.

8. korak: Ustvarite in pritrdite podlago za imetnika vzorca

Zlepite tri Jenga bloke in pritrdite sklop na nosilec vzorca, kot je prikazano. Prepričajte se, da je nastavek dovolj močan, da se držalo za kartonski vzorec ne loči od podstavka bloka Jenga, ko epruveto izvlečete iz držala za vzorec.

9. korak: Fotografski upor dodajte v imetnik vzorca

Foto upori so fotoprevodni in zmanjšujejo količino upora, ki ga zagotavljajo, ko se intenzivnost svetlobe poveča. Fotorezistor sem prilepil v majhno, leseno ohišje, vendar ohišje ni potrebno. Zadnji fotorezistor prilepite tako, da je njegova zaznavna površina nameščena neposredno ob reži, ki ste jo izrezali v držalu za vzorec. Poskusite fotorezistor postaviti tako, da vanj po prehodu skozi vzorec in reže nosilca vzorca zadene čim več svetlobe.

10. korak: Priključite fotografski upor

Za ožičenje fotorezistorja v vezju Arduino sem najprej odrezal in odstranil žice starega kabla USB tiskalnika. Tri bloke sem zlepil skupaj, kot je prikazano, in nato pritrjene odstranjene žice pritrdil na to podlago. Z dvema zadnjima spojema sem kable tiskalniškega kabla USB priključil na sponke fotorezistorja in podstavke skupaj zlepil v eno enoto (kot je prikazano na četrti sliki). Namesto žic tiskalniškega kabla lahko uporabite vse dolge žice.

Priključite eno žico, ki izvira iz fotorezistorja, na 5 -voltno izhodno moč Arduina. Drugo žico s fotorezistorja priključite na žico, ki vodi do enega od Arduinovih analognih vhodov. Nato vzporedno dodajte 10-ohmski upor in priključite upor na ozemljitveno povezavo Arduino. Zadnja slika konceptualno prikazuje, kako se lahko te povezave vzpostavijo (zasluga za circuit.io).

Korak: Povežite vse komponente z Arduinom

Računalnik povežite z Arduinom in vanj naložite priloženo kodo. Ko prenesete kodo, jo lahko prilagodite svojim potrebam in željam. Trenutno Arduino ob vsakem zagonu izvede 125 meritev (na koncu tudi povprečje teh meritev), njegov analogni signal pa vodi do A2. Na vrhu kode lahko spremenite ime vzorca in datum vzorca. Za ogled rezultatov pritisnite gumb za serijski monitor v zgornjem desnem kotu namiznega vmesnika Arduino.

Čeprav je nekoliko grdo, lahko vidite, kako sem na koncu povezal vsako komponento vezja Arduino. Uporabil sem dve plošči, vendar bi to lahko naredili le z eno. Poleg tega je moj LED vir svetlobe priključen na Arduino, vendar lahko zanj uporabite drugo napajanje.

12. korak: Imetnik vzorca postavite v ohišje škatle za datoteke

Zadnji korak pri ustvarjanju domačega spektrofotometra je, da nosilec vzorca postavite v ohišje škatle za datoteke. V škatli z datotekami sem izrezal majhen razrez, da bi skozi žice skozi fotorezistor. Ta zadnji korak sem obravnaval kot bolj umetnost kot znanost, saj bo predhodna namestitev vsake komponente sistema vplivala na namestitev nosilca vzorca v ohišje škatle za datoteke. Držalo za vzorec postavite tako, da lahko režo v držalu za vzorec poravnate s posamezno barvo svetlobe. Arduino lahko na primer postavite tako, da oranžna in zelena svetloba projicirata na obe strani reže, medtem ko skozi režo prehaja le rumena svetloba do fotorezistorja. Ko najdete lokacijo, kjer le ena barva svetlobe prehaja skozi režo v držalu za vzorec, premaknite držalo za vzorec bočno, da določite ustrezna mesta za drugo barvo (ne pozabite, ROYGBV). S svinčnikom potegnite ravne črte vzdolž dna ohišja datoteke, da označite mesta, kjer lahko samo ena barva svetlobe doseže fotootpor. Nalepila sem dva bloka Jenga pred in za držalom vzorca, da sem se prepričala, da pri odčitkih ne odstopam od teh oznak.

Korak: Preizkusite svoj domači spektrofotometer - ustvarite spekter

S svojim domačim spektrofotometrom sem opravil več testov. Kot okoljskega inženirja me zanima kakovost vode in sem vzel vzorce vode iz majhnega potoka pri moji hiši. Pri odvzemu vzorcev je pomembno, da uporabljate čisto posodo in da med vzorčenjem stojite za posodo. Stojanje za vzorcem (tj. Nizvodno od zbirnega mesta) pomaga preprečiti kontaminacijo vzorca in zmanjša stopnjo, ki jo vaša aktivnost v toku vpliva na vzorec. V en vzorec (vzorec A) sem dodal majhno količino zdravila Miracle-Gro (količina, primerna za sobne rastline, glede na mojo količino vzorca), v drugem vzorcu pa nič (vzorec B). Te vzorce sem pustil sedeti v dobro osvetljeni sobi brez pokrovov, da bi omogočili fotosintezo (pri čemer so pokrovi odprti za izmenjavo plinov). Kot lahko vidite, je na slikah vzorec, ki je bil dopolnjen z Miracle-Gro, nasičen z zelenimi platonskimi algami, medtem ko vzorec brez Miracle-Gro po približno 15 dneh ni doživel pomembne rasti. Ko je bil nasičen z algami, sem nekaj vzorca A razredčil v 50-mililitrskih stožčastih epruvetah in jih pustil v isti dobro osvetljeni sobi brez pokrovov. Približno 5 dni kasneje so bile že opazne razlike v njihovi barvi, kar kaže na rast alg. Upoštevajte, da je bila ena od štirih razredčitev v postopku žal izgubljena.

V onesnaženih sladkih vodah rastejo različne vrste alg. Alge sem fotografiral z mikroskopom in verjamem, da so bodisi klorokok ali klorela. Zdi se, da je prisotna vsaj še ena vrsta alg. Sporočite mi, če lahko identificirate te vrste!

Po gojenju alg v vzorcu A sem odvzel majhen vzorec in ga dodal v epruveto v domačem spektrofotometru. Zapisal sem izhode Arduina za vsako barvo svetlobe in povezal vsak izhod s povprečno valovno dolžino vsakega barvnega območja. To je:

Rdeča luč = 685 nm

Oranžna svetloba = 605 nm

Rumena svetloba = 580 nm

Zelena svetloba = 532,5 nm

Modra svetloba = 472,5 nm

Vijolična svetloba = 415 nm

Zapisal sem tudi izhode Arduina za vsako barvo svetlobe, ko je bil vzorec vode Deer Park postavljen v držalo za vzorec.

Z Beerovim zakonom sem izračunal vrednost absorbance za vsako meritev tako, da sem vzel logaritem baze-10 količnika absorpcije vode v globinskem parku, deljen z absorbanco vzorca A. Vrednosti vpojnosti sem premaknil tako, da je bila najmanjša vpojnost enaka nič, in izrisal rezultate. Te rezultate lahko primerjate s spektrom absorbance običajnih pigmentov (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Svet alg. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats in Astrobiology.), Da poskusite uganiti vrste pigmentov ki jih vsebuje vzorec alg.

Korak 14: Preizkusite svoj domači spektrofotometer - poskus dezinfekcije

S svojim domačim spektrofotometrom lahko opravljate različne dejavnosti. Tu sem izvedel poskus, da vidim, kako alge propadajo, ko so izpostavljene različnim koncentracijam belila. Uporabil sem izdelek s koncentracijo natrijevega hipoklorita (to je belila) 2,40%. Začel sem z dodajanjem 50 ml vzorca A v 50 ml konične cevi. Nato sem vzorcem dodal različne količine raztopine belila in opravil meritve s spektrofotometrom. Če smo vzorcem dodali 4 ml in 2 ml raztopine belila, so se vzorci skoraj takoj zbistrili, kar kaže na skoraj takojšnjo dezinfekcijo in deaktiviranje alg. Dodajanje le 1 ml in 0,5 ml (približno 15 kapljic iz pipete) raztopine belila v vzorce je omogočilo dovolj časa za meritve z uporabo domačega spektrofotometra in razpadanja modela v odvisnosti od časa. Pred tem sem uporabil postopek v zadnjem koraku za izdelavo spektra za raztopino belila in ugotovil, da je valovna dolžina raztopine pri rdeči svetlobi dovolj nizka, da bi prišlo do majhnih motenj pri približevanju deaktiviranja alg z uporabo absorbance pri valovnih dolžinah rdeče svetloba. Ob rdeči luči je bilo branje ozadja iz Arduina 535 [-]. Z več meritvami in uporabo Beerjevega zakona sem lahko sestavil dve prikazani krivulji. Upoštevajte, da so bile vrednosti absorbcije premaknjene tako, da je najnižja absorbirana vrednost 0.

Če je na voljo hemocitometer, bi lahko prihodnje poskuse uporabili za razvoj linearne regresije, ki povezuje absorbanco s koncentracijo celic v vzorcu A. To razmerje bi nato lahko uporabili v enačbi Watson-Crick za določitev CT vrednosti za deaktiviranje alg z belilom.

Korak 15: Ključni obroki

S tem projektom sem razširil znanje o temeljnih načelih okoljske biologije in ekologije. Ta poskus mi je omogočil nadaljnje razvijanje razumevanja kinetike rasti in razpada fotoavtotrofov v vodnih okoljih. Poleg tega sem vadil tehnike okoljskega vzorčenja in analize, medtem ko sem izvedel več o mehanizmih, ki omogočajo delovanje orodij, kot so spektrofotometri. Med analizo vzorcev pod mikroskopom sem izvedel več o mikrookoljih organizmov in se seznanil s fizikalnimi strukturami posameznih vrst.