Homemade Jenga Block Spectrophotometer para sa Mga Eksperimento sa Algae: 15 Mga Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:11

Ang algae ay photosynthetic protists at, tulad nito, ay kritikal na mga organismo sa mga chain ng pagkain sa tubig. Gayunpaman, sa mga buwan ng tagsibol at tag-init, ang mga ito at iba pang mga mikroorganismo ay maaaring dumami at lumobasan ang likas na mapagkukunan ng tubig, na magreresulta sa pag-ubos ng oxygen at paggawa ng mga nakakalason na sangkap. Ang pag-unawa sa rate kung saan lumalaki ang mga organismo na ito ay maaaring maging kapaki-pakinabang sa pagprotekta sa mga mapagkukunan ng tubig pati na rin sa pagbuo ng mga teknolohiya na gumagamit ng kanilang lakas. Bilang karagdagan, ang pag-unawa sa rate kung saan ang mga organismo na ito ay na-deactivate ay maaaring maging kapaki-pakinabang sa paggamot sa tubig at wastewater. Sa pagsisiyasat na ito, susubukan kong bumuo ng isang murang gastos na spectrophotometer upang pag-aralan ang mga rate ng pagkabulok ng mga organismo na nakalantad sa pagpapaputi ng kloro sa tubig na nakuha mula sa Park Creek sa Horsham, Pennsylvania. Ang isang sample ng tubig ng sapa na nakolekta mula sa site ay lagyan ng pataba na may pinaghalong nutrient at maiiwan sa sikat ng araw upang maitaguyod ang paglaki ng algal. Papayagan ng homemade spectrophotometer ang ilaw sa discrete wavelength na dumaan sa isang maliit na bote ng sample bago napansin ng isang photoresistor na konektado sa isang Arduino circuit. Tulad ng pagtaas ng density ng mga organismo sa sample, ang dami ng ilaw na hinihigop ng sample ay inaasahang tataas. Ang ehersisyo na ito ay magbibigay-diin sa mga konsepto sa electronics, optika, biology, ecology, at matematika.

Nabuo ko ang ideya para sa aking spectrophotometer mula sa Instructable na "Student Spectrophotometer" ni Satchelfrost at ang papel na "Isang Mababang Gastos na Quantitative Absorption Spectrophotometer" ni Daniel R. Albert, Michael A. Todt, at H. Floyd Davis.

Hakbang 1: Lumikha ng Iyong Frame ng Path ng Liwanag

Ang unang hakbang sa Instructable na ito ay upang lumikha ng isang light path frame mula sa anim na mga block ng Jenga at tape. Gagamitin ang frame ng ilaw na landas upang iposisyon at suportahan ang pinagmulan ng ilaw, aparatong nagpapalaki, at grating ng diffraction ng CD. Lumikha ng dalawang mahabang piraso sa pamamagitan ng pag-tape ng tatlong mga block ng Jenga sa isang linya tulad ng ipinakita sa unang imahe. I-tape ang mga strip na ito nang magkasama tulad ng ipinakita sa pangalawang larawan.

Hakbang 2: Lumikha ng isang Base para sa Iyong Paglaki ng Device at Ilakip Ito sa Light Path Frame

Ang aparato ng pagpapalaki ay ilalagay sa light path frame at pag-isiping mabuti ang ilaw na ibinuga ng LED bago mag-diffact sa CD. I-tape ang dalawang mga bloke ng Jenga na ang gitna ng isang bloke ay nasa isang tamang anggulo sa dulo ng isa pang bloke tulad ng ipinakita sa unang imahe. Ikabit ang aparato na nagpapalaki sa base na ito gamit ang tape tulad ng ipinakita sa pangatlong imahe. Gumamit ako ng isang maliit, murang magnifying glass na mayroon ako sa loob ng maraming taon. Matapos ilakip ang aparato ng pagpapalaki sa base nito, nai-tap ko ang aparato ng pagpapalaki sa frame ng light path. Inilagay ko ang aking aparato sa pagpapalaki na 13.5 cm ang layo mula sa gilid ng frame ng light path, ngunit maaaring kailanganin mong ayusin ang iyong aparato sa ibang posisyon depende sa haba ng pokus ng salamin.

Hakbang 3: Lumikha ng Iyong Magaan na Pinagmulan

Upang malimitahan ang dami ng hindi puro ilaw na maaaring maabot ang grad ng diffraction ng CD at photoresistor, gumamit ako ng electrical tape upang ayusin ang isang puting LED bombilya sa loob ng isang itim na cap ng panulat na mayroong isang maliit na butas sa itaas. Ipinapakita ng unang imahe ang LED, ipinapakita ng pangalawang imahe ang naka-tap na cap na LED-pen. Gumamit ako ng maliliit na piraso ng electrical tape upang maiwasan ang ilaw mula sa likod ng LED kung saan naroon ang mga wire ng anode at cathode.

Matapos likhain ang cap na LED-pen, ikinabit ko ang LED sa isang resistor na 220-ohm at mapagkukunan ng kuryente. I-wire ko ang LED sa isang Arduino Uno microcontroller's 5V at mga koneksyon sa lupa, ngunit ang anumang panlabas na mapagkukunan ng kuryente ng DC ay maaaring magamit. Mahalaga ang risistor upang maiwasan ang pag-burn ng ilaw ng LED.

Hakbang 4: I-secure ang Magaan na Pinagmulan sa Light Path Frame

I-tape ang isa pang bloke ng Jenga malapit sa dulo ng frame ng light path upang magbigay ng isang platform para sa light source. Sa aking set-up, ang Jenga block na sumusuporta sa light source ay nakaposisyon ng humigit-kumulang 4 cm mula sa gilid ng light path frame. Tulad ng ipinakita sa pangalawang imahe, ang tamang pagkakalagay ng pinagmumulan ng ilaw ay tulad na ang ilaw na sinag ay nakatuon sa pamamagitan ng aparato ng pagpapalaki sa tapat ng dulo ng frame ng ilaw na landas kung saan magkakaroon ang grad ng diffraction ng CD.

Hakbang 5: Ilagay ang Light Path Frame, Magnification Device, at Light Source sa File Box Casing

Gumamit ng isang file box o ibang natatakan na lalagyan na may mga panig na hindi matago bilang isang pambalot upang hawakan ang bawat isa sa mga bahagi ng spectrophotometer. Tulad ng ipinakita sa figure, gumamit ako ng tape upang ma-secure ang light path frame, magnification device, at light source sa casing ng file box. Gumamit ako ng isang bloke ng Jenga upang i-space ang light path frame na humigit-kumulang na 2.5 cm ang layo mula sa gilid ng loob ng dingding ng file box (ang block ng Jenga ay ginamit lamang para sa spacing at natanggal sa paglaon).

Hakbang 6: Gupitin at Iposisyon ang CD Diffraction Grating

Gumamit ng isang libangan na kutsilyo o gunting upang gupitin ang isang CD sa isang parisukat na may sumasalamin na mukha at mga gilid na tinatayang 2.5 cm ang haba. Gumamit ng tape upang ikabit ang CD sa Jenga block. Patugtugin ang pagpoposisyon ng Jenga block at CD diffraction grating upang iposisyon ito tulad ng paglabas nito ng isang bahaghari sa tapat ng dingding ng file box casing kapag ang ilaw mula sa LED source ay tumama dito. Ipinapakita ng mga nakakabit na imahe kung paano ko nakaposisyon ang mga sangkap na ito. Mahalaga na ang inaasahang bahaghari ay medyo antas tulad ng ipinakita sa huling larawan. Ang isang pinuno at sketch ng lapis sa loob ng file box wall ay maaaring makatulong sa pagtukoy kung kailan nasa antas ang projection.

Hakbang 7: Lumikha ng Sample Holder

I-print ang nakalakip na dokumento, at i-tape o idikit ang papel sa isang piraso ng karton. Gumamit ng isang pares ng gunting o isang libangan na kutsilyo upang gupitin ang karton sa isang hugis na krus. Itala ang karton kasama ang mga naka-print na linya sa gitna ng krus. Bilang karagdagan, gupitin ang maliliit na slits sa pantay na taas sa gitna ng dalawang braso ng karton krus tulad ng ipinakita; papayagan ng mga slits na ito para sa mga discrete wavelength ng ilaw na dumaan sa sample sa photoresistor. Gumamit ako ng tape upang makatulong na gawing mas matibay ang karton. Tiklupin ang karton kasama ang mga marka at i-tape ito upang mabuo ang isang hugis-parihaba na may hawak ng sample. Ang may hawak ng sample ay dapat magkasya nang mahigpit sa paligid ng isang test tube.

Hakbang 8: Lumikha at Maglakip ng isang Base para sa Sample Holder

I-tape ang tatlong mga bloke ng Jenga at ilakip ang pagpupulong sa may hawak ng sample tulad ng ipinakita. Tiyaking ang kalakip ay sapat na malakas na ang may hawak ng sample ng karton ay hindi hihiwalay mula sa base ng block ng Jenga kapag ang test tube ay hinugot mula sa may hawak ng sample.

Hakbang 9: Idagdag ang Photoresistor sa Sample Holder

Ang mga photoresistors ay photoconductive at binabawasan ang dami ng paglaban na ibinibigay nila habang tumataas ang light intensity. Na-tape ko ang photoresistor sa isang maliit, kahoy na pabahay, ngunit hindi kinakailangan ang pabahay. I-tape ang likod ng photoresistor tulad ng pakiramdam ng mukha nito na nakaposisyon nang direkta laban sa hiwa na iyong pinutol sa sample na may-ari. Subukan na iposisyon ang photoresistor nang sa gayon magkano ang ilaw hangga't maaari ay pindutin ito pagkatapos dumaan sa sample at mga hiwa ng sample na may-ari.

Hakbang 10: Wire ang Photoresistor

Upang i-wire ang photoresistor sa Arduino circuit, una kong pinutol at hinubaran ang mga wire ng isang lumang USB printer cable. Nag-tape ako ng tatlong mga bloke nang magkasama tulad ng ipinakita, at pagkatapos ay ikinabit ang mga hinubad na mga wire sa base na ito. Gamit ang dalawang mga splice ng puwit, ikinonekta ko ang mga USB printer cable wires sa mga terminal ng photoresistor at pinagsama ang mga base upang mabuo ang isang yunit (tulad ng ipinakita sa ikaapat na imahe). Ang anumang mahahabang wires ay maaaring gamitin kapalit ng mga wire ng printer cable.

Ikonekta ang isang kawad na nagmumula sa photoresistor patungo sa output ng 5V na lakas ng Arduino. Ikonekta ang iba pang kawad mula sa photoresistor sa isang kawad na humahantong sa isa sa analog ng Arduino sa mga port. Pagkatapos, magdagdag ng isang 10 kilo-ohm risistor nang kahanay at ikonekta ang risistor sa koneksyon sa lupa ng Arduino. Ipinapakita ng huling numero kung paano maaaring gawin ang mga koneksyon na ito (credit to circuit.io).

Hakbang 11: Ikonekta ang Lahat ng Mga Bahagi sa Arduino

Ikonekta ang iyong computer sa Arduino at i-upload ang nakalakip na code dito. Kapag na-download mo na ang code, maaari mo itong ayusin upang magkasya sa iyong mga pangangailangan at kagustuhan. Sa kasalukuyan, ang Arduino ay tumatagal ng 125 mga sukat sa tuwing ito ay pinapatakbo (ito rin ang nag-average ng mga sukat na ito sa dulo), at ang analog nito sa signal ay humahantong sa A2. Sa tuktok ng code, maaari mong baguhin ang pangalan ng iyong sample at ang sample na petsa. Upang matingnan ang mga resulta, pindutin ang serial monitor button sa kanang tuktok ng Arduino desktop interface.

Bagaman medyo magulo ito, makikita mo kung paano ko natapos ang pagkonekta sa bawat bahagi ng Arduino circuit. Gumamit ako ng dalawang mga breadboard, ngunit madali mong magagawa sa isa lamang. Bilang karagdagan, ang aking pinagmulan ng ilaw na LED ay konektado sa Arduino, ngunit maaari kang gumamit ng ibang supply ng kuryente para dito kung gugustuhin mo.

Hakbang 12: Ilagay ang Iyong Sample Holder sa File Box Casing

Ang huling hakbang sa paglikha ng iyong lutong bahay na spectrophotometer ay upang ilagay ang sample na may-ari sa file box casing. Pinutol ko ang isang maliit na slit sa file box upang maipasa ang mga wires mula sa photoresistor. Ginamot ko ang huling hakbang na ito bilang higit pa sa isang sining kaysa sa isang agham, dahil ang naunang pagkakalagay ng bawat bahagi ng system ay makakaapekto sa pagpoposisyon ng may hawak ng sample sa file box casing. Iposisyon ang may-hawak ng sample na tulad na nagawa mong ihanay ang hiwa sa sample na may-ari ng isang indibidwal na kulay ng ilaw. Halimbawa, maaari mong iposisyon ang Arduino upang ang kulay kahel na ilaw at berdeng ilaw na proyekto sa magkabilang panig ng slit habang ang dilaw na ilaw lamang ang dumadaan sa slit sa photoresistor. Kapag natagpuan mo ang isang lokasyon kung saan isang kulay lamang na ilaw ang dumadaan sa hiwa sa sample na may-ari, ilipat ang panig ng may-ari ng sample upang kilalanin ang mga kaukulang lokasyon para sa bawat isa pang kulay (tandaan, ROYGBV). Gumamit ng isang lapis upang gumuhit ng mga tuwid na linya kasama ang ilalim ng file box casing upang markahan ang mga lokasyon kung saan isang kulay lamang ng ilaw ang makakaabot sa photoresistor. Na-tape ko ang dalawang mga bloke ng Jenga sa harap at sa likod ng sample na may-ari upang matulungan akong matiyak na hindi ako lumihis mula sa mga marka na ito kapag kumukuha ng mga pagbasa.

Hakbang 13: Subukan ang Iyong Homemade Spectrophotometer - Lumikha ng isang Spectrum

Tumakbo ako ng maraming mga pagsubok sa aking lutong bahay na spectrophotometer. Bilang isang inhinyero sa kapaligiran, interesado ako sa kalidad ng tubig at kumuha ng mga sample ng tubig mula sa isang maliit na stream sa pamamagitan ng aking bahay. Kapag kumukuha ng mga sample, mahalaga na gumagamit ka ng isang malinis na lalagyan at tumayo ka sa likuran ng lalagyan habang nagsa-sample. Ang pagtayo sa likod ng sample (ibig sabihin, sa ibaba ng punto ng koleksyon) ay tumutulong na maiwasan ang kontaminasyon ng iyong sample at binabawasan ang degree ng iyong aktibidad sa stream na nakakaapekto sa sample. Sa isang sample (Sample A), nagdagdag ako ng isang maliit na halaga ng Miracle-Gro (ang halagang naaangkop para sa mga panloob na halaman, na ibinigay sa aking dami ng sample), at sa iba pang sample ay wala akong idinagdag (Sample B). Iniwan ko ang mga sampol na ito na umupo sa isang mahusay na naiilawan na silid nang walang kanilang mga takip upang payagan ang potosintesis (pinipigilan ang mga takip para sa palitan ng gas). Tulad ng nakikita mo, sa mga larawan, ang sampol na suplemento ng Miracle-Gro ay naging puspos ng berdeng platonic algae, habang ang sample na walang Miracle-Gro ay hindi nakaranas ng anumang makabuluhang paglago pagkatapos ng halos 15 araw. Matapos itong mabusog sa algae, pinagsama ko ang ilang Sample A sa 50 ML na mga conical tubes at iniwan ang mga ito sa parehong silid na may ilaw na walang mga takip. Humigit-kumulang na 5 araw sa paglaon, mayroon nang mga kapansin-pansin na pagkakaiba sa kanilang kulay, na nagpapahiwatig ng paglaki ng algal. Tandaan na ang isa sa apat na mga dilutions ay sa kasamaang palad ay nawala sa proseso.

Mayroong iba't ibang mga uri ng mga species ng algae na lumalaki sa maruming freshwaters. Kumuha ako ng mga larawan ng algae gamit ang isang microscope at naniniwala na sila ay alinman sa chlorococcum o chlorella. Hindi bababa sa isang iba pang mga species ng algae na tila naroroon din. Mangyaring ipaalam sa akin kung nakapag-ID ang mga species na ito!

Matapos mapalago ang algae sa Sample A, kumuha ako ng isang maliit na sample nito at idinagdag ito sa test tube sa homemade spectrophotometer. Naitala ko ang mga output ng Arduino para sa bawat kulay ng ilaw at naiugnay ang bawat output sa average na haba ng daluyong ng bawat saklaw ng kulay. Yan ay:

Pulang ilaw = 685 nm

Orange Light = 605 nm

Dilaw na Liwanag = 580 nm

Green Light = 532.5 nm

Blue Light = 472.5 nm

Violet Light = 415 nm

Naitala ko rin ang mga output ng Arduino para sa bawat kulay ng ilaw kapag ang isang sample ng tubig ng Deer Park ay inilagay sa may hawak ng sample.

Gamit ang Batas ni Beer, kinakalkula ko ang halaga ng pagsipsip para sa bawat pagsukat sa pamamagitan ng pagkuha ng base-10 logarithm ng kabuuan ng pagsipsip ng tubig sa Deep Park na hinati ng Sample A na sumisipsip. Inilipat ko ang mga halaga ng pagsipsip nang sa gayon ang pagsipsip ng pinakamababang halaga ay zero, at nagplano ng mga resulta. Maaari mong ihambing ang mga resulta na ito sa absorbance spectrum ng mga karaniwang pigment (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) Upang subukang hulaan ang mga uri ng mga pigment nakapaloob sa sample ng algae.

Hakbang 14: Subukan ang Iyong Homemade Spectrophotometer - Eksperimento sa pagdidisimpekta

Sa iyong lutong bahay na spectrophotometer maaari kang magsagawa ng iba't ibang mga iba't ibang mga aktibidad. Dito, nagsagawa ako ng isang eksperimento upang makita kung paano mabulok ang algae nang malantad sa iba't ibang konsentrasyon ng pagpapaputi. Gumamit ako ng isang produkto na may isang sodium hypochlorite (ibig sabihin, pagpapaputi) na konsentrasyon ng 2.40%. Nagsimula ako sa pamamagitan ng pagdaragdag ng 50 ML ng Sample A hanggang 50 ML na mga conical tubes. Pagkatapos ay nagdagdag ako ng iba't ibang halaga ng solusyon sa pagpapaputi sa mga sample at kumuha ng mga sukat gamit ang spectrophotometer. Ang pagdaragdag ng 4 ML at 2 ML ng solusyon sa pagpapaputi sa mga sample ay sanhi ng mga sample na lumilinaw na halos kaagad, na nagpapahiwatig ng halos agarang pagdidisimpekta at pag-deactivate ng algae. Ang pagdaragdag lamang ng 1 ML at 0.5 ML (tinatayang ng 15 patak mula sa isang pipette) ng solusyon sa pagpapaputi sa mga sample, pinapayagan ang sapat na oras upang kumuha ng mga sukat gamit ang homemade spectrophotometer at modelo ng pagkabulok bilang isang pagpapaandar ng oras. Bago gawin ito, ginamit ko ang pamamaraan sa huling hakbang upang makabuo ng isang spectrum para sa solusyon sa pagpapaputi at natukoy na ang haba ng haba ng solusyon sa pulang ilaw ay sapat na mababa na magkakaroon ng kaunting pagkagambala sa tinatayang algal deactivation na gumagamit ng pagsipsip sa mga haba ng daluyong ng pula ilaw Sa pulang ilaw, ang pagbabasa sa background mula sa Arduino ay 535 [-]. Ang pagkuha ng maraming mga sukat at paglalapat ng Batas ni Beer ay pinapayagan akong mabuo ang dalawang kurba na ipinakita. Tandaan na ang mga halaga ng pagsipsip ay inilipat upang ang pinakamababang halaga na hinihigop ay 0.

Kung ang isang hemocytometer ay magagamit, ang mga eksperimento sa hinaharap ay maaaring magamit upang bumuo ng isang linear regression na nauugnay sa pagsipsip sa konsentrasyon ng cell sa Sample A. Ang ugnayan na ito ay maaaring magamit sa equation ng Watson-Crick upang matukoy ang CT-halaga para sa pag-deactivate ng algae gamit ang pagpapaputi.

Hakbang 15: Key Takeaways

Sa pamamagitan ng proyektong ito, napalago ko ang aking kaalaman sa mga prinsipyong pangunahing sa biology at ecology sa kapaligiran. Pinayagan ako ng eksperimentong ito na paunlarin ang aking pag-unawa sa paglago at pagkabulok ng mga kinetiko ng mga photoautotroph sa mga kapaligiran sa tubig. Bilang karagdagan, nagsanay ako ng mga diskarte sa pag-sampol at pag-aaral sa kapaligiran habang natututo nang higit pa tungkol sa mga mekanismo na pinapayagan ang mga tool tulad ng spectrophotometers na gumana. Habang pinag-aaralan ang mga sample sa ilalim ng mikroskopyo, natutunan ko ang higit pa tungkol sa mga microen environment ng mga organismo at naging pamilyar sa mga pisikal na istruktura ng mga indibidwal na species.