Hjemmelavet Jenga Block -spektrofotometer til algeeksperimenter: 15 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

Alger er fotosyntetiske protister og er som sådan kritiske organismer i akvatiske fødekæder. I løbet af foråret og sommermånederne kan disse og andre mikroorganismer imidlertid formere sig og overvælde naturlige vandressourcer, hvilket resulterer i iltforringelse og produktion af giftige stoffer. At forstå den hastighed, hvormed disse organismer vokser, kan være nyttig til at beskytte vandressourcer samt udvikle teknologier, der udnytter deres magt. Derudover kan forståelse af den hastighed, hvormed disse organismer deaktiveres, være nyttig ved behandling af vand og spildevand. I denne undersøgelse vil jeg forsøge at bygge et billigt spektrofotometer til analyse af forfaldshastigheder for organismer, der udsættes for klorblegemiddel i vand, der er taget fra Park Creek i Horsham, Pennsylvania. En prøve med åvand opsamlet fra stedet vil blive befrugtet med en næringsblanding og efterladt i sollys for at fremme algevækst. Det hjemmelavede spektrofotometer tillader lys ved diskrete bølgelængder at passere gennem et hætteglas med prøven, før det detekteres af en fotoresistor, der er forbundet til et Arduino -kredsløb. Når tætheden af organismer i prøven øges, forventes mængden af lys, der absorberes af prøven, at stige. Denne øvelse vil lægge vægt på begreber inden for elektronik, optik, biologi, økologi og matematik.

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

Trin 1: Opret din lyssti -ramme

Det første trin i denne Instructable er at skabe en lyssti -ramme fra seks Jenga -blokke og tape. Lysbanens ramme bruges til at placere og understøtte lyskilden, forstørrelsesindretningen og cd -diffraktionsgitteret. Opret to lange strimler ved at tape tre Jenga -blokke i en linje som vist på det første billede. Tape disse strimler sammen som vist på det andet foto.

Trin 2: Opret en base til din forstørrelsesenhed, og vedhæft den til lyssti -rammen

Forstørrelsesindretningen vil blive fastgjort til lysbanens ramme og koncentrere lyset fra LED'en før diffraktion fra CD'en. Tape to Jenga -blokke sammen, så midten af en blok er i en ret vinkel i forhold til enden af en anden blok som vist på det første billede. Fastgør forstørrelsesenheden til denne base ved hjælp af tape som vist på det tredje billede. Jeg brugte et lille, billigt forstørrelsesglas, som jeg har haft i flere år. Efter at have fastgjort forstørrelsesenheden til dens base, tapede jeg forstørrelsesenheden til lysbanens ramme. Jeg placerede min forstørrelsesenhed 13,5 cm væk fra kanten af lyssti -rammen, men du skal muligvis rette din enhed på en anden position afhængigt af forstørrelsesglasets brændvidde.

Trin 3: Opret din lyskilde

For at begrænse mængden af ikke-koncentreret lys, der kan nå CD-diffraktionsgitteret og fotoresistoren, brugte jeg elektrisk tape til at fastgøre en hvid LED-pære inde i en sort penhætte, der havde et lille hul i toppen. Det første billede viser LED'en, det andet billede viser den tapede LED-penhætte. Jeg brugte små stykker elektrisk tape til at forhindre lys i at skinne fra bagsiden af LED'en, hvor anoden og katodetrådene er.

Efter at have oprettet LED-penhætten, sluttede jeg LED'en til en 220-ohm modstand og strømkilde. Jeg tilsluttede LED'en til en Arduino Uno mikrokontroller 5V og jordforbindelser, men enhver ekstern DC strømkilde kunne bruges. Modstanden er vigtig for at forhindre, at LED -lyset brænder ud.

Trin 4: Fastgør lyskilden til lyssti -rammen

Tape en anden Jenga -blok nær enden af lyssti -rammen for at tilvejebringe en platform for lyskilden. I min opsætning var Jenga-blokken, der understøtter lyskilden, placeret cirka 4 cm fra kanten af lyssti-rammen. Som vist på det andet billede er den korrekte placering af lyskilden sådan, at lysstrålen fokuserer gennem forstørrelsesindretningen i den modsatte ende af lysbanens ramme, hvor CD -diffraktionsgitteret vil være.

Trin 5: Placer lyssti -rammen, forstørrelsesenheden og lyskilden i filboksen

Brug en filkasse eller en anden forseglelig beholder med uigennemsigtige sider som et hus til at holde hver af komponenterne i spektrofotometeret. Som vist på figuren brugte jeg tape til at fastgøre lysbanens ramme, forstørrelsesenhed og lyskilde i filboksen. Jeg brugte en Jenga -blok til at placere lysbanens ramme cirka 2,5 cm væk fra kanten af filboksens indvendige væg (Jenga -blokken blev udelukkende brugt til afstand og blev senere fjernet).

Trin 6: Klip og placer cd -diffraktionsgitteret

Brug en hobbykniv eller en saks til at skære en cd i en firkant med et reflekterende ansigt og sider, der er cirka 2,5 cm lange. Brug tape til at fastgøre cd'en til Jenga -blokken. Spil med placeringen af Jenga -blokken og CD -diffraktionsgitteret for at placere den sådan, at den projicerer en regnbue på den modsatte væg i filboksen, når lys fra LED -kilden rammer den. De vedhæftede billeder viser, hvordan jeg placerede disse komponenter. Det er vigtigt, at den projicerede regnbue er relativt plan som vist på det sidste billede. En lineal og blyantskitse på indersiden af filkassens væg kan hjælpe med at bestemme, hvornår projektionen er plan.

Trin 7: Opret prøveholderen

Udskriv det vedhæftede dokument, og tape eller lim papiret på et stykke pap. Brug en saks eller en hobbykniv til at skære pap i krydsform. Markér pap langs de trykte linjer i midten af korset. Skær derudover små slidser i lige højder i midten af to arme af papkorset som vist; disse slidser tillader diskrete bølgelængder af lys at passere gennem prøven til fotoresistoren. Jeg brugte tape til at gøre kartonen mere robust. Fold kartonen langs scorerne og tape den, så der dannes en rektangulær prøveholder. Prøveholderen skal sidde tæt omkring et glas reagensglas.

Trin 8: Opret og vedhæft en base til prøveholderen

Tape tre Jenga -blokke sammen, og fastgør samlingen til prøveholderen som vist. Sørg for, at vedhæftet fil er stærkt nok til, at papprøveholderen ikke adskiller sig fra Jenga -blokbasen, når reagensglasset trækkes ud af prøveholderen.

Trin 9: Føj fotoresistoren til prøveholderen

Fotoresistorer er fotokonduktive og reducerer mængden af modstand, de giver, når lysintensiteten stiger. Jeg tapede fotoresistoren ind i et lille træhus, men huset er ikke nødvendigt. Tape den bageste fotoresistor, så dens sanseflade er placeret direkte mod den spalte, du skar i prøveholderen. Prøv at placere fotoresistoren, så så meget lys som muligt rammer den efter at have passeret prøven og prøveholderens slidser.

Trin 10: Tilslut fotoresistoren

For at tilslutte fotoresistoren i Arduino -kredsløbet klippede og fjernede jeg først ledningerne fra et gammelt USB -printerkabel. Jeg tapede tre blokke sammen som vist, og fastgjorde derefter de afisolerede ledninger til denne base. Ved hjælp af to stødsplejsler sluttede jeg USB -printerkabeltråde til fotoresistorens terminaler og tapede baserne sammen for at danne en enhed (som vist på det fjerde billede). Eventuelle lange ledninger kan bruges i stedet for printerkablets ledninger.

Tilslut en ledning, der stammer fra fotoresistoren, til Arduino's 5V effektudgang. Tilslut den anden ledning fra fotoresistoren til en ledning, der fører til en af Arduino's analoge port. Tilføj derefter en 10 kilo-ohm modstand parallelt og tilslut modstanden til Arduino's jordforbindelse. Den sidste figur viser konceptuelt, hvordan disse forbindelser kan laves (kredit til circuit.io).

Trin 11: Tilslut alle komponenter til Arduino

Tilslut din computer til Arduino og upload den vedhæftede kode til den. Når du har downloadet koden, kan du justere den, så den passer til dine behov og præferencer. I øjeblikket tager Arduino 125 målinger hver gang den køres (den er også gennemsnitlig for disse målinger i slutningen), og dens analoge indgangssignal fører til A2. Øverst i koden kan du ændre navnet på din prøve og prøvedatoen. For at se resultaterne skal du trykke på knappen til seriel skærm øverst til højre på Arduino -skrivebordet.

Selvom det er lidt rodet, kan du se, hvordan jeg endte med at forbinde hver komponent i Arduino -kredsløbet. Jeg brugte to brødbrætter, men du kunne sagtens klare med bare et. Derudover er min LED -lyskilde forbundet til Arduino, men du kan bruge en anden strømforsyning til den, hvis du foretrækker det.

Trin 12: Placer din prøveholder i filboksen

Det sidste trin i oprettelsen af dit hjemmelavede spektrofotometer er at placere prøveholderen i arkivkassen. Jeg skar en lille spalte i filboksen for at føre ledningerne fra fotoresistoren igennem. Jeg behandlede dette sidste trin som mere en kunst end en videnskab, da den forudgående placering af hver komponent i systemet vil påvirke placeringen af prøveholderen i arkivkassen. Placer prøveholderen, så du er i stand til at justere spalten i prøveholderen med en individuel lysfarve. For eksempel kan du placere Arduino, så orange lys og grønt lys rager ud på hver side af spalten, mens kun gult lys passerer gennem spalten til fotoresistoren. Når du har fundet et sted, hvor kun en farve for lys passerer gennem spalten i prøveholderen, skal du flytte prøveholderen sideværts for at identificere de tilsvarende placeringer for hver anden farve (husk, ROYGBV). Brug en blyant til at tegne lige linjer langs bunden af filboksen for at markere de steder, hvor kun en lysfarve kan nå fotoresistoren. Jeg tapede to Jenga -blokke ned foran og bag prøveholderen for at sikre, at jeg ikke afvigede fra disse markeringer, når jeg foretog aflæsninger.

Trin 13: Test dit hjemmelavede spektrofotometer - Opret et spektrum

Jeg kørte flere tests med mit hjemmelavede spektrofotometer. Som miljøingeniør er jeg interesseret i vandkvalitet og tog vandprøver fra en lille å ved mit hus. Når du tager prøver, er det vigtigt, at du bruger en ren beholder, og at du står bag beholderen under prøveudtagning. At stå bag prøven (dvs. nedstrøms for opsamlingsstedet) hjælper med at forhindre kontaminering af din prøve og reducerer graden af din aktivitet i strømmen påvirker prøven. I den ene prøve (prøve A) tilføjede jeg en lille mængde Miracle-Gro (den mængde, der er passende til indendørs planter, givet min prøve), og i den anden prøve tilføjede jeg intet (prøve B). Jeg lod disse prøver sidde i et godt oplyst rum uden deres låg for at muliggøre fotosyntese (holde lågene tilladt for gasudveksling). Som du kan se, på billederne, blev prøven, der blev suppleret med Miracle-Gro, mættet med grønne platoniske alger, mens prøven uden Miracle-Gro ikke oplevede nogen signifikant vækst efter cirka 15 dage. Efter at den var mættet med alger, fortyndede jeg nogle af prøve A i 50 ml koniske rør og efterlod dem i det samme godt oplyste rum uden deres låg. Cirka 5 dage senere var der allerede mærkbare forskelle i deres farve, hvilket indikerer algevækst. Bemærk, at en af de fire fortyndinger desværre gik tabt i processen.

Der er forskellige typer alger, der vokser i forurenet ferskvand. Jeg tog fotos af algerne ved hjælp af et mikroskop og tror, at de enten er chlorococcum eller chlorella. Mindst en anden algeart synes også at være til stede. Lad mig vide, hvis du er i stand til at identificere disse arter!

Efter at have dyrket algerne i prøve A, tog jeg en lille prøve af den og tilføjede den til reagensglasset i det hjemmelavede spektrofotometer. Jeg registrerede Arduinos output for hver lysfarve og tilknyttede hvert output med den gennemsnitlige bølgelængde for hvert farveområde. Det er:

Rødt lys = 685 nm

Orange lys = 605 nm

Gult lys = 580 nm

Grønt lys = 532,5 nm

Blåt lys = 472,5 nm

Violet lys = 415 nm

Jeg registrerede også Arduinos output for hver lysfarve, da en prøve af Deer Park -vand blev placeret i prøveholderen.

Ved hjælp af Beer's Law beregnede jeg absorbansværdien for hver måling ved at tage base-10-logaritmen for kvoten af Deep Park-vandabsorbans divideret med prøve A-absorbansen. Jeg flyttede absorbansværdierne, så den laveste værdis absorbans var nul, og afbildede resultaterne. Du kan sammenligne disse resultater med absorbansspektret for almindelige pigmenter (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Algerverdenen. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats og Astrobiology.) For at prøve at gætte typerne af pigmenter indeholdt i alge -prøven.

Trin 14: Test dit hjemmelavede spektrofotometer - desinfektionseksperiment

Med dit hjemmelavede spektrofotometer kan du udføre en række forskellige aktiviteter. Her gennemførte jeg et eksperiment for at se, hvordan algerne henfalder, når de udsættes for forskellige koncentrationer af blegemiddel. Jeg brugte et produkt med en natriumhypochlorit (dvs. blegemiddel) koncentration på 2,40%. Jeg begyndte med at tilføje 50 ml prøve A til 50 ml koniske rør. Jeg tilføjede derefter forskellige mængder af blegemiddelopløsningen til prøverne og foretog målinger ved hjælp af spektrofotometeret. Tilføjelse af 4 ml og 2 ml af blegemiddelopløsningen til prøverne fik prøverne til at blive klare næsten øjeblikkeligt, hvilket indikerer næsten øjeblikkelig desinfektion og deaktivering af algerne. Tilføjelse af kun 1 ml og 0,5 ml (tilnærmet med 15 dråber fra en pipette) af blegemiddelopløsningen til prøverne gav tid nok til at foretage målinger ved hjælp af det hjemmelavede spektrofotometer og modelforfald som funktion af tiden. Inden jeg gjorde det, havde jeg brugt fremgangsmåden i det sidste trin til at konstruere et spektrum for blegemiddelløsningen og fastslog, at opløsningens bølgelængde ved rødt lys var lav nok til, at der ville være lidt interferens med tilnærmelse af algedeaktivering ved hjælp af absorbans ved rød bølgelængde lys. Ved rødt lys var baggrundsaflæsning fra Arduino 535 [-]. Ved at tage flere målinger og anvende Beers Law, fik jeg lov til at konstruere de to viste kurver. Bemærk, at absorbansværdierne blev forskudt, så den laveste absorberede værdi er 0.

Hvis et hæmocytometer er tilgængeligt, kan fremtidige forsøg bruges til at udvikle en lineær regression, der relaterer absorbans til cellekoncentration i prøve A. Dette forhold kan derefter bruges i Watson-Crick-ligningen til at bestemme CT-værdien for deaktivering af alger ved hjælp af blegemiddel.

Trin 15: Key Takeaways

Gennem dette projekt voksede jeg min viden om principper, der er grundlæggende for miljøbiologi og økologi. Dette eksperiment tillod mig at videreudvikle min forståelse af væksten og henfaldskinetikken af fotoautotrofer i vandmiljøer. Derudover praktiserede jeg teknikker inden for miljøprøvetagning og analyse, mens jeg lærte mere om de mekanismer, der gør det muligt for værktøjer som spektrofotometre at arbejde. Mens jeg analyserede prøver under mikroskopet, lærte jeg mere om organismeres mikromiljøer og blev fortrolig med de fysiske strukturer af de enkelte arter.