Domácí blokový spektrofotometr Jenga pro experimenty s řasami: 15 kroků

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-23 14:38

Řasy jsou fotosyntetické protisty a jako takové jsou kritickými organismy ve vodních potravních řetězcích. Během jarních a letních měsíců se však tyto a další mikroorganismy mohou množit a přemáhat přírodní vodní zdroje, což má za následek vyčerpání kyslíku a produkci toxických látek. Pochopení rychlosti růstu těchto organismů může být užitečné při ochraně vodních zdrojů i při vývoji technologií, které využívají jejich sílu. Porozumění rychlosti, jakou jsou tyto organismy deaktivovány, může být navíc užitečné při čištění vody a odpadních vod. V rámci tohoto vyšetřování se pokusím vybudovat levný spektrofotometr k analýze rychlostí rozpadu organismů vystavených chlorovanému bělidlu ve vodě odebrané z Park Creek v Horshamu v Pensylvánii. Vzorek potokové vody odebraný z místa bude oplodněn směsí živin a ponechán na slunci, aby se podpořil růst řas. Domácí spektrofotometr umožní světlu na diskrétních vlnových délkách projít lahvičkou vzorku, než bude detekován fotorezistorem připojeným k obvodu Arduino. Jak se zvyšuje hustota organismů ve vzorku, očekává se, že se zvýší množství světla absorbovaného vzorkem. Toto cvičení bude klást důraz na pojmy z elektroniky, optiky, biologie, ekologie a matematiky.

Nápad pro svůj spektrofotometr jsem vyvinul z instruktabilního „studentského spektrofotometru“od společnosti Satchelfrost a článku „A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer“od Daniela R. Alberta, Michaela A. Todta a H. Floyda Davise.

Krok 1: Vytvořte svůj rám světelné cesty

Prvním krokem v tomto Instructable je vytvoření rámce světelné cesty ze šesti bloků a pásky Jenga. Rám světelné cesty bude použit k umístění a podpoře zdroje světla, zvětšovacího zařízení a CD difrakční mřížky. Vytvořte dva dlouhé proužky tak, že nalepíte tři bloky Jenga do řady, jak je znázorněno na prvním obrázku. Slepte tyto proužky dohromady, jak je znázorněno na druhé fotografii.

Krok 2: Vytvořte základnu pro své zvětšovací zařízení a připevněte ji k rámu světelné cesty

Zvětšovací zařízení bude připevněno k rámu světelné dráhy a koncentruje světlo vyzařované LED diodou před difrakcí z CD. Spojte dohromady dva bloky Jenga tak, aby střed jednoho bloku byl v pravém úhlu ke konci jiného bloku, jak je znázorněno na prvním obrázku. Připevněte zvětšovací zařízení k této základně pomocí pásky, jak je znázorněno na třetím obrázku. Použil jsem malou, levnou lupu, kterou mám již několik let. Po připevnění zvětšovacího zařízení na jeho základnu jsem zvětšovací zařízení nalepil na rám světelné dráhy. Zvětšovací zařízení jsem umístil 13,5 cm od okraje rámu světelné dráhy, ale možná budete muset zařízení zafixovat v jiné poloze v závislosti na ohniskové vzdálenosti lupy.

Krok 3: Vytvořte svůj světelný zdroj

Abych omezil množství nekoncentrovaného světla, které může dosáhnout difrakční mřížky CD a fotorezistoru, použil jsem elektrickou pásku k upevnění bílé LED žárovky uvnitř černé krytky pera, která měla v horní části malý otvor. První obrázek ukazuje LED diodu, druhý obrázek ukazuje lepicí krytku LED diod. Použil jsem malé kousky elektrické pásky, abych zabránil vyzařování světla ze zadní části LED, kde jsou anodové a katodové dráty.

Po vytvoření krytky pera LED jsem LED připevnil k 220 ohmovému rezistoru a zdroji energie. LED jsem zapojil do 5V a uzemnění mikrokontroléru Arduino Uno, ale mohl být použit jakýkoli externí zdroj stejnosměrného proudu. Rezistor je důležitý, aby se zabránilo vyhoření světla LED.

Krok 4: Zajistěte světelný zdroj k rámu světelné cesty

Na konci rámečku světelné cesty nalepte další blok Jenga, abyste vytvořili platformu pro zdroj světla. V mém nastavení byl blok Jenga podporující světelný zdroj umístěn přibližně 4 cm od okraje rámu světelné dráhy. Jak je ukázáno na druhém obrázku, správné umístění zdroje světla je takové, že světelný paprsek zaostří přes zvětšovací zařízení na opačném konci rámce dráhy světla, kde bude CD difrakční mřížka.

Krok 5: Umístěte rám světelné cesty, zvětšovací zařízení a světelný zdroj do pouzdra rámečku souboru

K uložení každé ze složek spektrofotometru použijte kartotéku nebo jinou uzavíratelnou nádobu s neprůhlednými stranami. Jak je znázorněno na obrázku, použil jsem pásku k zajištění rámu světelné cesty, zvětšovacího zařízení a světelného zdroje v pouzdře boxu. Použil jsem jeden blok Jenga k oddělení rámečku světelné cesty přibližně 2,5 cm od okraje vnitřní stěny schránky (blok Jenga sloužil pouze k mezerám a později byl odstraněn).

Krok 6: Vyřízněte a umístěte difrakční mřížku disku CD

Pomocí hobby nože nebo nůžek ustřihněte CD na čtverec s reflexní tváří a stranami přibližně 2,5 cm dlouhými. Pomocí pásky připevněte disk CD k bloku Jenga. Pohrajte si s umístěním bloku Jenga a CD difrakční mřížkou, abyste jej umístili tak, že když na něj dopadne světlo ze zdroje LED, promítá duhu na protější stěnu skříně boxu. Přiložené obrázky ukazují, jak jsem tyto komponenty umístil. Je důležité, aby promítaná duha byla relativně rovná, jak ukazuje poslední obrázek. Náčrt pravítka a tužky na vnitřní straně stěny krabice může pomoci určit, kdy je projekce rovná.

Krok 7: Vytvořte držák vzorku

Vytiskněte připojený dokument a nalepte nebo nalepte papír na kousek lepenky. Pomocí nůžek nebo hobby nože nastříhejte lepenku do tvaru kříže. Vyhodnoťte lepenku podle vytištěných čar ve středu kříže. Kromě toho vyřízněte malé štěrbiny ve stejné výšce uprostřed dvou ramen kartónového kříže, jak je znázorněno; tyto štěrbiny umožní, aby diskrétní vlnové délky světla prošly vzorkem k fotorezistoru. K lepším kartonům jsem použil pásku. Skládejte lepenku podél zářezů a přilepte ji tak, aby se vytvořil obdélníkový držák vzorku. Držák vzorku by měl těsně přiléhat ke skleněné zkumavce.

Krok 8: Vytvořte a připevněte základnu pro držák vzorku

Slepte dohromady tři bloky Jenga a připevněte sestavu k držáku vzorku podle obrázku. Ujistěte se, že je nástavec dostatečně pevný, aby se lepenkový držák vzorku neoddělil od základny bloku Jenga, když je zkumavka vytažena z držáku vzorků.

Krok 9: Přidejte fotorezistor do držáku vzorků

Fotorezistory jsou fotovodivé a se zvyšující se intenzitou světla snižují odpor, který poskytují. Fotorezistor jsem zalepil páskou do malého dřevěného pouzdra, ale pouzdro není nutné. Olepte zadní fotorezistor tak, aby jeho snímací plocha byla umístěna přímo proti štěrbině, kterou jste vyřízli v držáku vzorku. Po průchodu vzorkem a štěrbinami držáku vzorku se pokuste umístit fotorezistor tak, aby na něj dopadalo co nejvíce světla.

Krok 10: Připojte fotorezistor

Abych zapojil fotorezistor v obvodu Arduino, nejprve jsem odstřihl a odizoloval vodiče starého kabelu USB tiskárny. Tři bloky jsem slepil dohromady, jak je znázorněno na obrázku, a poté připevnil odizolované dráty k této základně. Pomocí dvou spojek na tupo jsem připojil vodiče kabelu USB tiskárny ke svorkám fotorezistoru a spojil základny páskou, aby vytvořily jednu jednotku (jak ukazuje čtvrtý obrázek). Místo vodičů kabelu tiskárny lze použít jakékoli dlouhé vodiče.

Připojte jeden vodič vycházející z fotorezistoru k 5V výstupu Arduina. Připojte druhý vodič z fotorezistoru k vodiči vedoucímu k jednomu z analogových portů Arduina. Poté přidejte paralelně odpor 10 kiloohmů a připojte odpor k uzemnění Arduino. Poslední obrázek koncepčně ukazuje, jak by tato spojení mohla být vytvořena (kredit na circuit.io).

Krok 11: Připojte všechny komponenty k Arduinu

Připojte svůj počítač k Arduinu a nahrajte do něj přiložený kód. Jakmile si stáhnete kód, můžete jej upravit tak, aby vyhovoval vašim potřebám a preferencím. V současné době Arduino provádí 125 měření při každém spuštění (také tato měření na konci průměruje) a jeho analogový vstupní signál vede k A2. V horní části kódu můžete změnit název ukázky a datum ukázky. Výsledky zobrazíte stisknutím tlačítka sériového monitoru v pravém horním rohu desktopového rozhraní Arduino.

Ačkoli je to trochu nepořádné, můžete vidět, jak jsem nakonec připojil každou součást obvodu Arduino. Použil jsem dvě prkénka, ale klidně si vystačíte jen s jedním. Můj světelný zdroj LED je navíc připojen k Arduinu, ale pokud chcete, můžete použít jiný napájecí zdroj.

Krok 12: Umístěte držák vzorků do pouzdra schránky na soubory

Posledním krokem při vytváření vašeho domácího spektrofotometru je umístění držáku vzorku do pouzdra schránky. Vyřízl jsem malou štěrbinu v kartotéce, abych protáhl dráty z fotorezistoru. Tento poslední krok jsem považoval spíše za umění než za vědu, protože předchozí umístění každé součásti systému ovlivní umístění držáku vzorku v pouzdře schránky. Umístěte držák vzorku tak, abyste mohli zarovnat štěrbinu v držáku vzorku s konkrétní barvou světla. Můžete například umístit Arduino tak, aby oranžové světlo a zelené světlo vyzařovaly na obě strany štěrbiny, zatímco štěrbinou k fotorezistoru prochází pouze žluté světlo. Jakmile najdete místo, kde štěrbinou v držáku vzorku prochází pouze jedna barva světla, posuňte držák vzorku laterálně, abyste identifikovali odpovídající umístění pro každou další barvu (pamatujte, ROYGBV). Pomocí tužky nakreslete rovné čáry podél spodní části skříně krabice a označte místa, kde je k fotorezistoru schopna dosáhnout pouze jedna barva světla. Přelepil jsem dva bloky Jenga před a za držákem vzorku, abych se ujistil, že se při odečtu neodchyluji od těchto označení.

Krok 13: Otestujte si svůj domácí spektrofotometr - vytvořte spektrum

S domácím spektrofotometrem jsem provedl několik testů. Jako environmentální inženýr se zajímám o kvalitu vody a odebíral jsem vzorky vody z malého potoka u mého domu. Při odběru vzorků je důležité, abyste používali čistou nádobu a při odběru stáli za nádobou. Stojící za vzorkem (tj. Za sběrným místem) pomáhá předcházet kontaminaci vašeho vzorku a snižuje míru, kterou vaše aktivita v proudu ovlivňuje vzorek. Do jednoho vzorku (vzorek A) jsem přidal malé množství Miracle-Gro (množství vhodné pro pokojové rostliny, vzhledem k mému objemu vzorku), a do druhého vzorku jsem nepřidal nic (vzorek B). Nechal jsem tyto vzorky sedět v dobře osvětlené místnosti bez víček, aby byla umožněna fotosyntéza (ponechání víček mimo povolenou výměnu plynu). Jak vidíte, na obrázcích byl vzorek, který byl doplněn Miracle-Gro, nasycen zelenými platonickými řasami, zatímco vzorek bez Miracle-Gro po přibližně 15 dnech nezaznamenal žádný významný růst. Poté, co byl nasycen řasami, naředil jsem část vzorku A do 50 ml kónických zkumavek a nechal jsem je ve stejné dobře osvětlené místnosti bez víček. Přibližně o 5 dní později již byly patrné rozdíly v jejich barvě, což naznačuje růst řas. Všimněte si toho, že jedno ze čtyř ředění bylo bohužel ztraceno.

Existují různé druhy řas, které rostou ve znečištěných sladkých vodách. Vyfotil jsem řasy pomocí mikroskopu a věřím, že jsou buď chlorococcum nebo chlorella. Zdá se, že je přítomen ještě alespoň jeden další druh řas. Dejte mi prosím vědět, pokud jste schopni tyto druhy identifikovat!

Poté, co jsem řasy vypěstoval ve vzorku A, vzal jsem z něj malý vzorek a přidal jej do zkumavky v domácím spektrofotometru. Zaznamenal jsem výstupy Arduina pro každou barvu světla a každý výstup spojil s průměrnou vlnovou délkou každého barevného rozsahu. To je:

Červené světlo = 685 nm

Oranžové světlo = 605 nm

Žluté světlo = 580 nm

Zelené světlo = 532,5 nm

Modré světlo = 472,5 nm

Fialové světlo = 415 nm

Také jsem zaznamenal výstupy Arduina pro každou barvu světla, když byl do držáku vzorku umístěn vzorek vody z Deer Park.

Pomocí Beerova zákona jsem vypočítal hodnotu absorbance pro každé měření tak, že jsem vzal logaritmus báze 10 kvocientu absorbance vody Deep Park dělený absorbancí vzorku A. Posunul jsem hodnoty absorbance tak, aby absorbance nejnižší hodnoty byla nulová, a vynesl jsem výsledky. Tyto výsledky můžete porovnat se spektrem absorbance běžných pigmentů (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) A pokusit se odhadnout typy pigmentů obsažené ve vzorku řas.

Krok 14: Otestujte si svůj domácí spektrofotometr - experiment s dezinfekcí

S domácím spektrofotometrem můžete provádět řadu různých činností. Zde jsem provedl experiment, abych zjistil, jak se řasy rozpadají, když jsou vystaveny různým koncentracím bělidla. Použil jsem přípravek s koncentrací chlornanu sodného (tj. Bělidla) 2,40%. Začal jsem přidáním 50 ml vzorku A do 50 ml kónických zkumavek. Poté jsem do vzorků přidal různá množství bělícího roztoku a provedl měření pomocí spektrofotometru. Přidání 4 ml a 2 ml bělícího roztoku ke vzorkům způsobilo, že se vzorky téměř okamžitě vyčistily, což naznačuje téměř okamžitou dezinfekci a deaktivaci řas. Přidání pouze 1 ml a 0,5 ml (přibližně 15 kapek z pipety) bělícího roztoku do vzorků poskytlo dostatek času na provedení měření pomocí domácího spektrofotometru a rozpadu modelu jako funkce času. Než jsem tak učinil, použil jsem postup v posledním kroku k sestavení spektra bělícího roztoku a určil jsem, že vlnová délka roztoku při červeném světle je dostatečně nízká, takže při aproximaci deaktivace řas pomocí absorbance na vlnových délkách červené bude docházet k malé interferenci. světlo. Při červeném světle bylo čtení z Arduina 535 [-]. Provedení několika měření a použití Beerova zákona mi umožnilo sestrojit dvě zobrazené křivky. Hodnoty absorbance byly posunuty tak, aby nejnižší absorbovaná hodnota byla 0.

Pokud je k dispozici hemocytometr, budoucí experimenty by mohly být použity k vyvinutí lineární regrese, která spojuje absorbanci s koncentrací buněk ve vzorku A. Tento vztah by pak mohl být použit ve Watsonově-Crickově rovnici k určení hodnoty CT pro deaktivaci řas pomocí bělidla.

Krok 15: Klíčové informace

Prostřednictvím tohoto projektu jsem rozšířil své znalosti o zásadách zásadních pro biologii životního prostředí a ekologii. Tento experiment mi umožnil dále rozvíjet své chápání kinetiky růstu a rozpadu fotoautotrofů ve vodním prostředí. Kromě toho jsem si procvičil techniky vzorkování a analýzy prostředí, přičemž jsem se dozvěděl více o mechanismech, které umožňují práci nástrojů, jako jsou spektrofotometry. Při analýze vzorků pod mikroskopem jsem se dozvěděl více o mikroprostředí organismů a seznámil se s fyzickými strukturami jednotlivých druhů.