Hemlagad Jenga Block -spektrofotometer för algeexperiment: 15 steg

2025 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2025-01-23 15:10

Alger är fotosyntetiska protister och är som sådana kritiska organismer i vattenlevande livsmedelskedjor. Under vår- och sommarmånaderna kan dessa och andra mikroorganismer dock föröka sig och överväldiga naturliga vattenresurser, vilket resulterar i syreförlust och produktion av giftiga ämnen. Att förstå hur snabbt dessa organismer växer kan vara användbart för att skydda vattenresurser samt utveckla teknik som utnyttjar deras kraft. Dessutom kan förstå hur snabbt dessa organismer deaktiveras vara användbart vid vatten- och avloppsrening. I denna undersökning kommer jag att försöka bygga en billig spektrofotometer för att analysera sönderfallshastigheten för organismer som utsätts för klorblekmedel i vatten som tagits från Park Creek i Horsham, Pennsylvania. Ett prov av bäckvatten som samlas in från platsen kommer att befruktas med en näringsblandning och lämnas i solljus för att främja algtillväxt. Den hemmagjorda spektrofotometern låter ljus vid diskreta våglängder passera genom en flaska med provet innan det detekteras av en fotoresistor ansluten till en Arduino -krets. När organisktätheten i provet ökar förväntas mängden ljus som absorberas av provet öka. Denna övning kommer att betona koncept inom elektronik, optik, biologi, ekologi och matematik.

Jag har utvecklat idén till min spektrofotometer från Instructable "Student Spectrophotometer" av Satchelfrost och papperet "A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer" av Daniel R. Albert, Michael A. Todt och H. Floyd Davis.

Steg 1: Skapa din Light Path Frame

Det första steget i denna instruerbara är att skapa en ljusvägsram från sex Jenga -block och tejp. Ljusvägsramen kommer att användas för att positionera och stödja ljuskällan, förstoringsanordningen och CD -diffraktionsgallret. Skapa två långa remsor genom att tejpa tre Jenga -block i en linje som visas i den första bilden. Tejpa ihop dessa remsor som visas på det andra fotot.

Steg 2: Skapa en bas för din förstoringsenhet och fäst den på Light Path -ramen

Förstoringsanordningen kommer att fästas på ljusbanans ram och koncentrera ljuset från LED: n innan diffraktion av CD: n. Tejpa ihop två Jenga -block så att mitten av ett block är i en rät vinkel mot slutet av ett annat block som visas i den första bilden. Fäst förstoringsenheten på denna bas med hjälp av tejp som visas i den tredje bilden. Jag använde ett litet, billigt förstoringsglas som jag har haft i flera år. Efter att ha fäst förstoringsenheten på basen, tejpade jag förstoringsenheten på ljusbanans ram. Jag placerade min förstoringsenhet 13,5 cm från kanten av ljusbanans ram, men du kan behöva fixa din enhet på en annan plats beroende på förstoringsglasets brännvidd.

Steg 3: Skapa din ljuskälla

För att begränsa mängden icke-koncentrerat ljus som kan nå CD-diffraktionsgallret och fotoresistorn använde jag eltejp för att fixa en vit LED-lampa inuti ett svart pennlock som hade ett litet hål i toppen. Den första bilden visar lysdioden, den andra bilden visar den tejpade LED-pennans lock. Jag använde små bitar av tejp för att förhindra att ljuset lyser från baksidan av lysdioden där anoden och katodtrådarna är.

Efter att ha skapat LED-pennkåpan kopplade jag lysdioden till ett 220-ohm motstånd och strömkälla. Jag kopplade lysdioden till en Arduino Uno mikrokontroller 5V och jordanslutningar, men valfri extern DC -strömkälla kan användas. Motståndet är viktigt för att förhindra att LED -ljuset brinner ut.

Steg 4: Säkra ljuskällan till ljusvägsramen

Tejpa ett annat Jenga -block nära slutet av ljusvägsramen för att ge en plattform för ljuskällan. I mitt upplägg placerades Jenga-blocket som stöder ljuskällan cirka 4 cm från kanten av ljusbanans ram. Såsom visas i den andra bilden är den korrekta placeringen av ljuskällan sådan att ljusstrålen fokuserar genom förstoringsanordningen i den motsatta änden av ljusvägsramen där CD -diffraktionsgallret kommer att vara.

Steg 5: Placera ljusvägsramen, förstoringsenheten och ljuskällan i filhöljet

Använd en filbox eller en annan förslutningsbar behållare med ogenomskinliga sidor som ett hölje för att hålla var och en av komponenterna i spektrofotometern. Som visas i figuren använde jag tejp för att fästa ljusvägsramen, förstoringsenheten och ljuskällan i filboxens hölje. Jag använde ett Jenga -block för att placera ljusbanans ram cirka 2,5 cm från kanten på filboxens inre vägg (Jenga -blocket användes enbart för avstånd och togs senare bort).

Steg 6: Klipp och placera CD -diffraktionsgallret

Använd en hobbykniv eller sax för att klippa en CD till en kvadrat med ett reflekterande ansikte och sidor som är cirka 2,5 cm långa. Använd tejp för att fästa CD -skivan i Jenga -blocket. Lek med positioneringen av Jenga -blocket och CD -diffraktionsgallret för att placera det så att det skjuter ut en regnbåge på den motsatta väggen i filhöljet när ljus från LED -källan träffar det. De bifogade bilderna visar hur jag placerade dessa komponenter. Det är viktigt att den projicerade regnbågen är relativt jämn som visas på den sista bilden. En linjal och blyertsskiss på insidan av filboxväggen kan hjälpa till att avgöra när projektionen är i nivå.

Steg 7: Skapa provhållaren

Skriv ut det bifogade dokumentet och tejpa eller limma papperet på en kartongbit. Använd en sax eller en hobbykniv för att skära kartongen i en korsform. Rita kartongen längs de utskrivna linjerna i mitten av korset. Skär dessutom små slitsar på lika höjder i mitten av två armar på pappkorset som visas; dessa slitsar tillåter diskreta våglängder av ljus att passera genom provet till fotoresistorn. Jag använde tejp för att göra kartongen mer robust. Vik kartongen längs noterna och tejpa den så att en rektangulär provhållare bildas. Provhållaren ska sitta tätt runt ett provrör av glas.

Steg 8: Skapa och fäst en bas för provhållaren

Tejpa ihop tre Jenga -block och fäst enheten på provhållaren enligt bilden. Se till att tillbehöret är tillräckligt starkt för att kartongprovhållaren inte ska skilja sig från Jenga -blockbasen när provröret dras ut ur provhållaren.

Steg 9: Lägg till fotoresistorn i provhållaren

Fotoresistorer är fotoledande och minskar mängden motstånd de ger när ljusintensiteten ökar. Jag tejpade fotoresistorn i ett litet trähus, men huset är inte nödvändigt. Tejpa den bakre fotoresistorn så att dess avkänningsyta är placerad direkt mot den slits du skar i provhållaren. Försök att placera fotoresistorn så att så mycket ljus som möjligt träffar den efter att ha passerat genom provet och provhållarens slitsar.

Steg 10: Anslut fotoresistorn

För att ansluta fotoresistorn i Arduino -kretsen klippte jag först av och tog bort ledningarna från en gammal USB -skrivarkabel. Jag tejpade ihop tre block som visas och fästde sedan de avskalade trådarna på denna bas. Med hjälp av två stiftskarvar kopplade jag USB -skrivarens kabeltrådar till fotoresistorns terminaler och tejpade ihop baserna för att bilda en enhet (som visas i den fjärde bilden). Alla långa ledningar kan användas istället för skrivarkabelns ledningar.

Anslut en ledning från fotoresistorn till Arduinos 5V -effekt. Anslut den andra ledningen från fotoresistorn till en kabel som leder till en av Arduinos analoga portar. Lägg sedan till ett 10 kilo-ohm-motstånd parallellt och anslut motståndet till Arduino-jordanslutningen. Den sista figuren visar konceptuellt hur dessa anslutningar kan göras (kredit till circuit.io).

Steg 11: Anslut alla komponenter till Arduino

Anslut din dator till Arduino och ladda upp den bifogade koden till den. När du har laddat ner koden kan du justera den så att den passar dina behov och preferenser. För närvarande tar Arduino 125 mätningar varje gång den körs (den ger också medelvärden för dessa mätningar i slutet), och dess analoga signal leder till A2. Högst upp i koden kan du ändra namnet på ditt prov och provdatumet. För att se resultaten, tryck på den seriella skärmknappen längst upp till höger på Arduino -skrivbordet.

Även om det är lite rörigt kan du se hur jag slutade ansluta varje komponent i Arduino -kretsen. Jag använde två brödbrädor, men du kan enkelt göra med bara en. Dessutom är min LED -ljuskälla ansluten till Arduino, men du kan använda en annan strömförsörjning för den om du föredrar det.

Steg 12: Placera din provhållare i filhöljet

Det sista steget i att skapa din hemmagjorda spektrofotometer är att placera provhållaren i arkivhöljet. Jag skar en liten slits i filboxen för att leda ledningarna från fotoresistorn. Jag behandlade det här sista steget som en mer konst än en vetenskap, eftersom den tidigare placeringen av varje komponent i systemet kommer att påverka placeringen av provhållaren i arkivhöljet. Placera provhållaren så att du kan justera slitsen i provhållaren med en individuell ljusfärg. Till exempel kan du placera Arduino så att orange ljus och grönt ljus skjuter ut på vardera sidan av slitsen medan endast gult ljus passerar genom slitsen till fotoresistorn. När du har hittat en plats där endast en färg för ljus passerar genom slitsen i provhållaren, flyttar du provhållaren i sidled för att identifiera motsvarande platser för varje annan färg (kom ihåg, ROYGBV). Använd en penna för att rita raka linjer längs botten av filhöljet för att markera de platser där endast en ljusfärg kan nå fotoresistorn. Jag tejpade ner två Jenga -block framför och bakom provhållaren för att se till att jag inte avvek från dessa markeringar när jag tog avläsningar.

Steg 13: Testa din hemlagade spektrofotometer - Skapa ett spektrum

Jag körde flera tester med min hemmagjorda spektrofotometer. Som miljöingenjör är jag intresserad av vattenkvalitet och tog vattenprover från en liten bäck vid mitt hus. När du tar prover är det viktigt att du använder en ren behållare och att du står bakom behållaren under provtagningen. Att stå bakom provet (dvs. nedströms samlingspunkten) hjälper till att förhindra kontaminering av ditt prov och minskar graden av din aktivitet i strömmen påverkar provet. I ett prov (prov A) tillsatte jag en liten mängd Miracle-Gro (den mängd som är lämplig för inomhusväxter, med tanke på min provvolym), och i det andra provet tillsatte jag ingenting (prov B). Jag lämnade dessa prover sitta i ett väl upplyst rum utan lock för att möjliggöra fotosyntes (så att locken inte är tillåtna för gasutbyte). Som du kan se, på bilderna, blev provet som kompletterades med Miracle-Gro mättat med gröna platoniska alger, medan provet utan Miracle-Gro inte upplevde någon signifikant tillväxt efter cirka 15 dagar. Efter att den var mättad med alger spädde jag ut några av prov A i 50 ml koniska rör och lämnade dem i samma väl upplysta rum utan lock. Cirka 5 dagar senare fanns det redan märkbara skillnader i deras färg, vilket indikerar algtillväxt. Observera att en av de fyra utspädningarna tyvärr gick förlorad i processen.

Det finns olika typer av alger som växer i förorenade sötvatten. Jag tog bilder av algerna med ett mikroskop och tror att de antingen är chlorococcum eller chlorella. Åtminstone en annan algart verkar också finnas. Meddela mig om du kan identifiera dessa arter!

Efter att ha odlat algerna i prov A tog jag ett litet prov av det och lade det till provröret i den hemlagade spektrofotometern. Jag spelade in Arduinos utgångar för varje ljusfärg och associerade varje utmatning med den genomsnittliga våglängden för varje färgintervall. Det är:

Rött ljus = 685 nm

Orange ljus = 605 nm

Gult ljus = 580 nm

Grönt ljus = 532,5 nm

Blått ljus = 472,5 nm

Violett ljus = 415 nm

Jag spelade också in Arduinos utgångar för varje ljusfärg när ett prov av Deer Park -vatten placerades i provhållaren.

Med hjälp av Beer's Law beräknade jag absorbansvärdet för varje mätning genom att ta bas-10-logaritmen för kvoten för Deep Park-vattenabsorbans dividerat med prov A-absorbansen. Jag flyttade absorbansvärdena så att det lägsta värdets absorbans var noll och ritade resultaten. Du kan jämföra dessa resultat med absorbansspektrumet för vanliga pigment (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats och Astrobiology.) För att försöka gissa vilka typer av pigment som finns i algprovet.

Steg 14: Testa din hemlagade spektrofotometer - Desinfektionsexperiment

Med din hemlagade spektrofotometer kan du utföra en mängd olika aktiviteter. Här gjorde jag ett experiment för att se hur algerna förfaller när de utsätts för olika koncentrationer av blekmedel. Jag använde en produkt med en natriumhypoklorit (dvs. blekmedel) -koncentration på 2,40%. Jag började med att lägga till 50 ml prov A till 50 ml koniska rör. Jag tillsatte sedan olika mängder blekmedel till proverna och gjorde mätningar med hjälp av spektrofotometern. Att tillsätta 4 ml och 2 ml av blekmedelslösningen till proverna fick proverna att bli tydliga nästan omedelbart, vilket indikerar nästan omedelbar desinfektion och avaktivering av algerna. Att bara lägga till 1 ml och 0,5 ml (ungefär 15 droppar från en pipett) av blekmedelslösningen till proverna, gav tillräckligt med tid för mätningar med hjälp av den hemlagade spektrofotometern och modellförfall som en funktion av tiden. Innan jag gjorde det hade jag använt proceduren i det sista steget för att konstruera ett spektrum för blekmedelslösningen och bestämde att lösningens våglängd vid rött ljus var tillräckligt låg för att det skulle bli lite störningar med att approximera algdeaktivering med hjälp av absorbans vid röda våglängder ljus. Vid rött ljus var bakgrundsavläsningen från Arduino 535 [-]. Genom att ta flera mätningar och tillämpa Beers Law fick jag konstruera de två kurvor som visas. Observera att absorbansvärdena har förskjutits så att det lägsta absorberade värdet är 0.

Om en hemocytometer är tillgänglig kan framtida experiment användas för att utveckla en linjär regression som relaterar absorbans till cellkoncentration i prov A. Detta förhållande kan sedan användas i Watson-Crick-ekvationen för att bestämma CT-värdet för avaktivering av alger med blekmedel.

Steg 15: Viktiga takeaways

Genom detta projekt växte jag min kunskap om principer som är grundläggande för miljöbiologi och ekologi. Detta experiment tillät mig att vidareutveckla min förståelse för tillväxt och förfallskinetik för fotoautotrofer i vattenmiljöer. Dessutom praktiserade jag tekniker i miljöprovtagning och analys samtidigt som jag lärde mig mer om de mekanismer som gör att verktyg som spektrofotometrar kan fungera. När jag analyserade prover under mikroskopet lärde jag mig mer om organismernas mikromiljöer och blev bekant med de fysiska strukturerna hos enskilda arter.