Самодельный блочный спектрофотометр Jenga для экспериментов с водорослями: 15 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Водоросли являются фотосинтезирующими протистами и, как таковые, являются критически важными организмами в водных пищевых цепях. Однако в весенние и летние месяцы эти и другие микроорганизмы могут размножаться и подавлять естественные водные ресурсы, что приводит к истощению запасов кислорода и выработке токсичных веществ. Понимание скорости роста этих организмов может быть полезно для защиты водных ресурсов, а также для разработки технологий, использующих их силу. Кроме того, понимание скорости дезактивации этих организмов может быть полезно при очистке воды и сточных вод. В этом исследовании я попытаюсь создать недорогой спектрофотометр для анализа скорости разложения организмов, подвергшихся воздействию хлорного отбеливателя в воде, взятой из Парк-Крик в Хоршаме, штат Пенсильвания. Образец воды из ручья, собранный на участке, будет удобрен питательной смесью и оставлен на солнечном свете, чтобы способствовать росту водорослей. Самодельный спектрофотометр позволит свету с дискретными длинами волн проходить через пробирку с образцом до того, как его обнаружит фоторезистор, подключенный к цепи Arduino. Ожидается, что по мере увеличения плотности организмов в образце количество света, поглощаемого образцом, будет увеличиваться. В этом упражнении особое внимание уделяется концепциям электроники, оптики, биологии, экологии и математики.

Я развил идею своего спектрофотометра из «Студенческого спектрофотометра» от Satchelfrost и из статьи «Недорогой количественный абсорбционный спектрофотометр» Дэниела Р. Альберта, Майкла А. Тодта и Х. Флойда Дэвиса.

Шаг 1: Создайте свою рамку светового пути

Первым шагом в этом руководстве является создание рамы светового пути из шести блоков Jenga и ленты. Рамка световода будет использоваться для размещения и поддержки источника света, устройства увеличения и дифракционной решетки компакт-диска. Создайте две длинные полосы, соединив три блока Jenga в линию, как показано на первом изображении. Склейте эти полоски вместе, как показано на втором фото.

Шаг 2: Создайте основу для вашего увеличительного устройства и прикрепите ее к раме светового тракта

Увеличительное устройство будет прикреплено к раме светового тракта и сконцентрирует свет, излучаемый светодиодом, прежде чем рассеяться от компакт-диска. Склейте вместе два блока Jenga так, чтобы середина одного блока находилась под прямым углом к концу другого блока, как показано на первом изображении. Прикрепите увеличительное устройство к этой основе с помощью ленты, как показано на третьем изображении. Я использовал маленькое недорогое увеличительное стекло, которое у меня было несколько лет. Прикрепив увеличительное устройство к его основанию, я приклеил увеличительное устройство к раме светового тракта. Я расположил увеличительное устройство на расстоянии 13,5 см от края рамки светового тракта, но вам может потребоваться установить устройство в другом положении в зависимости от фокусного расстояния увеличительного стекла.

Шаг 3: Создайте свой источник света

Чтобы ограничить количество неконцентрированного света, который может попасть на дифракционную решетку компакт-диска и фоторезистор, я использовал изоленту, чтобы закрепить белую светодиодную лампу внутри черной колпачка ручки с небольшим отверстием в верхней части. На первом изображен светодиод, на втором - колпачок светодиодной ручки с лентой. Я использовал небольшие кусочки изоленты, чтобы свет не падал на заднюю часть светодиода, где находятся анодные и катодные провода.

После создания колпачка для светодиодной ручки я подключил светодиод к резистору 220 Ом и источнику питания. Я подключил светодиод к 5 В и заземлению микроконтроллера Arduino Uno, но можно было использовать любой внешний источник постоянного тока. Резистор важен для предотвращения перегорания светодиода.

Шаг 4: Закрепите источник света на раме светового тракта

Приклейте еще один блок Jenga ближе к концу рамки светового пути, чтобы обеспечить платформу для источника света. В моей установке блок Jenga, поддерживающий источник света, был расположен примерно в 4 см от края рамки светового пути. Как показано на втором изображении, правильное размещение источника света таково, что световой луч фокусируется через увеличительное устройство на противоположном конце рамки световода, где будет дифракционная решетка CD.

Шаг 5: Поместите рамку светового тракта, устройство увеличения и источник света в кожух файлового ящика

Используйте коробку для файлов или другой герметичный контейнер с непрозрачными сторонами в качестве кожуха для удержания каждого из компонентов спектрофотометра. Как показано на рисунке, я использовал ленту, чтобы закрепить раму светового тракта, устройство увеличения и источник света в кожухе коробки для файлов. Я использовал один блок Jenga, чтобы разместить рамку светового пути примерно на 2,5 см от края внутренней стены коробки для файлов (блок Jenga использовался исключительно для размещения и был позже удален).

Шаг 6: Вырежьте и установите дифракционную решетку CD

Используйте нож или ножницы, чтобы разрезать компакт-диск на квадрат с отражающей поверхностью и сторонами примерно 2,5 см длиной. Используйте ленту, чтобы прикрепить компакт-диск к блоку Jenga. Поиграйте с расположением блока Jenga и дифракционной решетки компакт-диска, чтобы расположить его так, чтобы он проецировал радугу на противоположную стенку корпуса коробки для файлов, когда на нее попадает свет от источника светодиода. Прикрепленные изображения показывают, как я расположил эти компоненты. Важно, чтобы проецируемая радуга была относительно ровной, как показано на последнем рисунке. Линейка и карандашный набросок на внутренней стороне стенки ящика для файлов могут помочь определить, когда выступ является ровным.

Шаг 7: Создайте держатель образца

Распечатайте прикрепленный документ и скотчем или приклейте бумагу на кусок картона. Воспользуйтесь ножницами или ножом для хобби, чтобы разрезать картон в форме креста. Сделайте надрез на картоне по напечатанным линиям в центре креста. Кроме того, сделайте небольшие прорези на одинаковой высоте посередине двух плеч картонного креста, как показано; Эти щели позволяют свету дискретных длин волн проходить через образец к фоторезистору. Я использовал скотч, чтобы картон стал прочнее. Сложите картон по счетам и скотчите так, чтобы образовался прямоугольный держатель для образцов. Держатель образца должен плотно прилегать к стеклянной пробирке.

Шаг 8: Создайте и прикрепите основание для держателя образца

Склейте вместе три блока Jenga и прикрепите сборку к держателю образца, как показано. Убедитесь, что крепление достаточно прочное, чтобы картонный держатель образца не отделялся от основания блока Jenga, когда пробирка вынимается из держателя образца.

Шаг 9: Добавьте фоторезистор в держатель образца

Фоторезисторы являются фотопроводящими и уменьшают сопротивление, которое они оказывают, по мере увеличения интенсивности света. Я прикрепил фоторезистор к небольшому деревянному корпусу, но в нем нет необходимости. Закрепите задний фоторезистор лентой так, чтобы его чувствительная поверхность располагалась прямо напротив прорези, которую вы прорезали в держателе образца. Постарайтесь расположить фоторезистор так, чтобы на него попадало как можно больше света после прохождения образца и щелей держателя образца.

Шаг 10: Подключите фоторезистор

Чтобы подключить фоторезистор к цепи Arduino, я сначала отрезал и зачистил провода старого USB-кабеля принтера. Я склеил три блока вместе, как показано, а затем прикрепил зачищенные провода к этой базе. Используя два стыковых соединения, я подключил провода USB-кабеля принтера к клеммам фоторезистора и склеил основания вместе, чтобы сформировать единый блок (как показано на четвертом изображении). Вместо проводов кабеля принтера можно использовать любые длинные провода.

Подключите один провод, исходящий от фоторезистора, к выходу питания 5V Arduino. Подключите другой провод от фоторезистора к проводу, ведущему к одному из аналоговых портов Arduino. Затем добавьте параллельно резистор 10 кОм и подключите резистор к заземлению Arduino. Последний рисунок концептуально показывает, как эти соединения могут быть выполнены (кредит circuit.io).

Шаг 11: Подключите все компоненты к Arduino

Подключите свой компьютер к Arduino и загрузите на него прикрепленный код. После того, как вы загрузили код, вы можете настроить его в соответствии со своими потребностями и предпочтениями. В настоящее время Arduino выполняет 125 измерений при каждом запуске (он также усредняет эти измерения в конце), а его аналог по сигналу ведет к A2. В верхней части кода вы можете изменить имя образца и дату образца. Чтобы просмотреть результаты, нажмите кнопку последовательного монитора в правом верхнем углу рабочего стола Arduino.

Хотя это немного запутано, вы можете видеть, как я в итоге подключил каждый компонент схемы Arduino. Я использовал две макетные платы, но вы легко можете обойтись и одним. Кроме того, мой светодиодный источник света подключен к Arduino, но вы можете использовать для него другой источник питания, если хотите.

Шаг 12: Поместите держатель образца в кожух файлового ящика

Последний шаг в создании самодельного спектрофотометра - поместить держатель образца в корпус коробки для файлов. Я сделал небольшую щель в коробке для файлов, чтобы пропустить провода от фоторезистора. Я рассматривал этот последний шаг как больше искусство, чем науку, поскольку предварительное размещение каждого компонента системы повлияет на расположение держателя образца в корпусе коробки для файлов. Расположите держатель образца таким образом, чтобы вы могли совместить прорезь в держателе образца с индивидуальным цветом света. Например, вы можете расположить Arduino так, чтобы оранжевый и зеленый свет проецировались на обе стороны щели, в то время как только желтый свет проходил через щель к фоторезистору. Как только вы нашли место, где только один цвет для света проходит через щель в держателе образца, переместите держатель образца в сторону, чтобы определить соответствующие места для каждого другого цвета (помните, ROYGBV). С помощью карандаша нарисуйте прямые линии вдоль нижней части корпуса коробки для файлов, чтобы отметить места, где только один цвет света может достигать фоторезистора. Я приклеил два блока Jenga перед и за держателем образца, чтобы убедиться, что я не отклоняюсь от этих отметок при снятии показаний.

Шаг 13: Проверьте свой самодельный спектрофотометр - создайте спектр

Я провел несколько тестов на своем самодельном спектрофотометре. Как инженер-эколог, я интересуюсь качеством воды и брал пробы воды из небольшого ручья возле моего дома. При отборе проб важно использовать чистый контейнер и стоять за ним во время отбора проб. Находясь за образцом (то есть ниже по потоку от точки сбора) помогает предотвратить загрязнение вашей пробы и снижает степень воздействия вашей активности в потоке на пробу. В один образец (образец A) я добавил небольшое количество Miracle-Gro (количество, подходящее для комнатных растений, учитывая мой объем образца), а в другом образце я ничего не добавил (образец B). Я оставил эти образцы в хорошо освещенной комнате без крышек для фотосинтеза (не закрывая крышки для газообмена). Как вы можете видеть на фотографиях, образец, который был дополнен Miracle-Gro, стал насыщен зелеными платоновыми водорослями, тогда как образец без Miracle-Gro не испытал какого-либо значительного роста примерно через 15 дней. После того, как он был насыщен водорослями, я разбавил образец A в конических пробирках объемом 50 мл и оставил их в той же хорошо освещенной комнате без крышек. Примерно через 5 дней уже были заметны различия в их цвете, свидетельствующие о росте водорослей. Обратите внимание, что одно из четырех разведений, к сожалению, было потеряно в процессе.

В загрязненных пресных водах растут различные виды водорослей. Я сфотографировал водоросли с помощью микроскопа и считаю, что это либо хлорококк, либо хлорелла. По-видимому, присутствует по крайней мере еще один вид водорослей. Пожалуйста, дайте мне знать, сможете ли вы идентифицировать эти виды!

После выращивания водорослей в образце А я взял небольшой образец и добавил в пробирку самодельного спектрофотометра. Я записал выходные сигналы Arduino для каждого цвета света и связал каждый выход со средней длиной волны каждого цветового диапазона. То есть:

Красный свет = 685 нм

Оранжевый свет = 605 нм

Желтый свет = 580 нм

Зеленый свет = 532,5 нм

Синий свет = 472,5 нм

Фиолетовый свет = 415 нм

Я также записал выходную мощность Arduino для каждого цвета света, когда образец воды Deer Park был помещен в держатель для образцов.

Используя закон Бера, я рассчитал значение поглощения для каждого измерения, взяв логарифм по основанию 10 частного отношения поглощения воды Deep Park к поглощению образца A. Я сдвинул значения абсорбции так, чтобы абсорбция самого низкого значения была равна нулю, и нанесла результаты на график. Вы можете сравнить эти результаты со спектром поглощения обычных пигментов (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.), Чтобы попытаться угадать типы пигментов. содержится в образце водорослей.

Шаг 14: Проверьте свой самодельный спектрофотометр - эксперимент по дезинфекции

С помощью самодельного спектрофотометра вы можете выполнять множество различных задач. Здесь я провел эксперимент, чтобы увидеть, как водоросли разлагаются под воздействием различных концентраций отбеливателя. Я использовал продукт с концентрацией гипохлорита натрия (то есть отбеливателя) 2,40%. Я начал с добавления 50 мл образца A в конические пробирки на 50 мл. Затем я добавил к образцам различные количества раствора отбеливателя и провел измерения с помощью спектрофотометра. Добавление 4 мл и 2 мл раствора отбеливателя к образцам привело к тому, что образцы почти сразу стали прозрачными, что указывает на почти немедленную дезинфекцию и дезактивацию водорослей. Добавление только 1 мл и 0,5 мл (приблизительно 15 капель из пипетки) раствора отбеливателя к образцам дало достаточно времени для проведения измерений с помощью самодельного спектрофотометра и модели распада как функции времени. Прежде чем сделать это, я использовал процедуру на последнем этапе, чтобы построить спектр для раствора отбеливателя, и определил, что длина волны раствора в красном свете достаточно мала, чтобы не было интерференции с приближенной дезактивацией водорослей с использованием поглощения на длинах волн красного цвета. свет. При красном свете фоновое считывание от Arduino было 535 [-]. Проведя несколько измерений и применив закон Бера, я смог построить две показанные кривые. Обратите внимание, что значения поглощения были сдвинуты так, что наименьшее значение поглощения равно 0.

Если доступен гемоцитометр, будущие эксперименты могут быть использованы для разработки линейной регрессии, которая связывает оптическую плотность с концентрацией клеток в образце A. Это соотношение затем можно использовать в уравнении Уотсона-Крика для определения значения CT для дезактивации водорослей с помощью отбеливателя..

Шаг 15: основные выводы

Благодаря этому проекту я расширил свои знания об основополагающих принципах экологической биологии и экологии. Этот эксперимент позволил мне глубже понять кинетику роста и распада фотоавтотрофов в водной среде. Кроме того, я практиковал методы отбора проб и анализа окружающей среды, одновременно узнавая больше о механизмах, которые позволяют работать таким инструментам, как спектрофотометры. Анализируя образцы под микроскопом, я узнал больше о микроокружении организмов и познакомился с физическими структурами отдельных видов.