Spektrofotometer Blok Jenga buatan sendiri untuk Eksperimen Alga: 15 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Alga adalah protista fotosintetik dan, dengan demikian, adalah organisma kritikal dalam rantai makanan akuatik. Akan tetapi, selama bulan-bulan musim bunga dan musim panas, mikroorganisma ini dan mikroorganisma lain dapat memperbanyak dan membanjiri sumber air semula jadi, mengakibatkan penipisan oksigen dan pengeluaran bahan toksik. Memahami kadar pertumbuhan organisma ini dapat berguna dalam melindungi sumber air serta mengembangkan teknologi yang memanfaatkan kekuatannya. Selain itu, memahami kadar di mana organisma ini dinyahaktifkan dapat berguna dalam rawatan air dan air sisa. Dalam penyelidikan ini, saya akan berusaha membina spektrofotometer kos rendah untuk menganalisis kadar kerosakan organisma yang terdedah kepada peluntur klorin di dalam air yang diambil sampelnya dari Park Creek di Horsham, Pennsylvania. Sampel air sungai yang dikumpulkan dari lokasi akan disenyawakan dengan campuran nutrien dan dibiarkan di bawah sinar matahari untuk mendorong pertumbuhan alga. Spektrofotometer buatan sendiri akan membolehkan cahaya pada panjang gelombang diskrit melewati botol sampel sebelum dikesan oleh fotoresistor yang disambungkan ke litar Arduino. Apabila ketumpatan organisma dalam sampel meningkat, jumlah cahaya yang diserap oleh sampel dijangka meningkat. Latihan ini akan menekankan konsep dalam elektronik, optik, biologi, ekologi, dan matematik.

Saya telah mengembangkan idea untuk spektrofotometer saya dari "Pelajar Spectrophotometer" oleh Satchelfrost dan makalah "A Spectrophotometer Penyerapan Kuantitatif Kos Rendah" oleh Daniel R. Albert, Michael A. Todt, dan H. Floyd Davis.

Langkah 1: Buat Rangka Jalur Cahaya Anda

Langkah pertama dalam Instructable ini adalah membuat bingkai jalur cahaya dari enam blok dan pita Jenga. Rangka jalur cahaya akan digunakan untuk meletakkan dan menyokong sumber cahaya, alat pembesaran, dan parutan difraksi CD. Buat dua jalur panjang dengan mengetuk tiga blok Jenga dalam satu garis seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama. Rekatkan jalur ini bersama-sama seperti yang ditunjukkan pada foto kedua.

Langkah 2: Buat Pangkalan untuk Peranti Pembesaran Anda dan Pasang ke Rangka Jalur Cahaya

Peranti pembesaran akan dilekatkan pada bingkai jalur cahaya dan memusatkan cahaya yang dipancarkan oleh LED sebelum mengeluarkan CD. Pita bersama dua blok Jenga sehingga bahagian tengah satu blok berada pada sudut yang betul ke hujung blok yang lain seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama. Pasang alat pembesar ke pangkalan ini menggunakan pita seperti yang ditunjukkan pada gambar ketiga. Saya menggunakan kaca pembesar kecil dan murah yang saya miliki selama beberapa tahun. Setelah melekatkan alat pembesar ke pangkalnya, saya mengetuk peranti pembesar ke bingkai jalur cahaya. Saya meletakkan alat pembesar saya sejauh 13.5 cm dari pinggir bingkai jalur cahaya, tetapi anda mungkin perlu membetulkan peranti anda pada kedudukan yang berbeza bergantung pada panjang fokus kaca pembesar.

Langkah 3: Buat Sumber Cahaya Anda

Untuk mengehadkan jumlah cahaya tidak pekat yang dapat mencapai parutan difraksi CD dan fotoresistor, saya menggunakan pita elektrik untuk memasang lampu LED putih di dalam penutup pen hitam yang mempunyai lubang kecil di bahagian atas. Gambar pertama menunjukkan LED, gambar kedua menunjukkan penutup pen-LED yang dirakam. Saya menggunakan sekeping kecil pita elektrik untuk mengelakkan cahaya menyinari dari belakang LED di mana wayar anod dan katod berada.

Setelah membuat penutup pen-LED, saya memasang LED ke perintang 220-ohm dan sumber kuasa. Saya memasang kabel LED ke sambungan mikrokontroler ArVinoino Uno 5V dan ground, tetapi mana-mana sumber kuasa DC luaran dapat digunakan. Perintang penting untuk mengelakkan cahaya LED menyala.

Langkah 4: Amankan Sumber Cahaya ke Rangka Jalur Cahaya

Rekatkan blok Jenga yang lain berhampiran hujung bingkai laluan cahaya untuk menyediakan platform untuk sumber cahaya. Dalam susunan saya, blok Jenga yang menyokong sumber cahaya diletakkan kira-kira 4 cm dari pinggir bingkai jalur cahaya. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar kedua, penempatan sumber cahaya yang betul sedemikian rupa sehingga pancaran cahaya memusatkan perhatian melalui alat pembesaran di hujung seberang bingkai jalur cahaya di mana parutan difraksi CD akan berada.

Langkah 5: Letakkan Rangka Jalur Cahaya, Perangkat Pembesaran, dan Sumber Cahaya di Selongsong Kotak Fail

Gunakan kotak fail atau bekas lain yang boleh ditutup dengan sisi legap sebagai selongsong untuk menahan setiap komponen spektrofotometer. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, saya menggunakan pita untuk mengamankan bingkai jalur cahaya, alat pembesar, dan sumber cahaya di selongsong kotak fail. Saya menggunakan satu blok Jenga untuk mengosongkan bingkai jalur cahaya kira-kira 2.5 cm dari tepi dinding dalam kotak fail (blok Jenga hanya digunakan untuk jarak dan kemudian dikeluarkan).

Langkah 6: Potong dan Letakkan Parut CD Difraksi

Gunakan pisau atau gunting hobi untuk memotong CD menjadi segi empat dengan wajah dan sisi reflektif sepanjang 2.5 cm. Gunakan pita untuk melekatkan CD ke blok Jenga. Mainkan dengan kedudukan blok Jenga dan parutan difraksi CD untuk meletakkannya sehingga memproyeksikan pelangi di dinding bertentangan kotak kotak apabila cahaya dari sumber LED memukulnya. Gambar yang dilampirkan menunjukkan bagaimana saya meletakkan komponen ini. Penting bahawa pelangi yang diproyeksikan berada pada tahap yang rata seperti yang ditunjukkan pada gambar terakhir. Sketsa pembaris dan pensil di bahagian dalam dinding kotak fail dapat membantu menentukan kapan unjuran itu rata.

Langkah 7: Buat Pemegang Sampel

Cetak dokumen yang dilampirkan, dan pita atau lekatkan kertas ke sekeping kadbod. Gunakan sepasang gunting atau pisau hobi untuk memotong kadbod menjadi bentuk silang. Skor kadbod di sepanjang garis bercetak di tengah salib. Selain itu, potong celah kecil pada ketinggian yang sama di tengah dua lengan salib kadbod seperti yang ditunjukkan; celah-celah ini akan memungkinkan panjang gelombang cahaya untuk melewati sampel ke fotoresistor. Saya menggunakan pita untuk menjadikan kadbod lebih kukuh. Lipat kadbod di sepanjang skor dan pita sehingga pemegang sampel segi empat tepat terbentuk. Pemegang sampel hendaklah dipasang rapat di tabung uji kaca.

Langkah 8: Buat dan Pasang Pangkalan untuk Pemegang Sampel

Ketatkan tiga blok Jenga dan pasangkan pemasangan ke pemegang sampel seperti yang ditunjukkan. Pastikan lampiran cukup kuat sehingga pemegang sampel kadbod tidak terpisah dari pangkalan blok Jenga semasa tabung uji ditarik keluar dari pemegang sampel.

Langkah 9: Tambahkan Photoresistor ke Pemegang Sampel

Photoresistors adalah fotokonduktif dan mengurangkan jumlah rintangan yang mereka berikan semasa intensiti cahaya meningkat. Saya memasukkan fotoresistor ke perumahan kayu kecil, tetapi perumahan itu tidak diperlukan. Pita photoresistor belakang sehingga wajah pengesannya diposisikan secara langsung pada celah yang anda potong pada pemegang sampel. Cuba letakkan fotoresistor sehingga cahaya sebanyak mungkin memukulnya setelah melewati sampel dan celah pemegang sampel.

Langkah 10: Wire Photoresistor

Untuk memasang wayar fotoresistor di litar Arduino, saya mula-mula memotong dan menanggalkan wayar kabel pencetak USB lama. Saya mengetuk tiga blok bersama seperti yang ditunjukkan, dan kemudian memasang wayar yang dilucutkan ke pangkalan ini. Dengan menggunakan dua sambungan pantat, saya menyambungkan kabel kabel pencetak USB ke terminal fotoresistor dan mengikat pangkalannya bersama-sama untuk membentuk satu unit (seperti yang ditunjukkan pada gambar keempat). Sebarang wayar panjang boleh digunakan sebagai pengganti wayar kabel pencetak.

Sambungkan satu wayar yang berasal dari photoresistor ke output kuasa Arduino's 5V. Sambungkan wayar lain dari photoresistor ke wayar yang menuju ke salah satu analog Arduino di port. Kemudian, tambahkan perintang 10 kilo-ohm secara selari dan sambungkan perintang ke sambungan tanah Arduino. Angka terakhir secara konseptual menunjukkan bagaimana sambungan ini dibuat (kredit kepada circuit.io).

Langkah 11: Sambungkan Semua Komponen ke Arduino

Sambungkan komputer anda ke Arduino dan muat naik kod yang dilampirkan kepadanya. Setelah memuat turun kod, anda boleh menyesuaikannya agar sesuai dengan keperluan dan pilihan anda. Pada masa ini, Arduino mengambil 125 pengukuran setiap kali dijalankan (ia juga mengukur pengukuran ini pada akhir), dan analognya dalam isyarat mengarah ke A2. Di bahagian atas kod, anda boleh menukar nama sampel anda dan tarikh sampel. Untuk melihat hasilnya, tekan butang monitor bersiri di kanan atas antara muka desktop Arduino.

Walaupun agak tidak kemas, anda dapat melihat bagaimana saya akhirnya menghubungkan setiap komponen litar Arduino. Saya menggunakan dua papan roti, tetapi anda boleh melakukannya dengan satu. Selain itu, sumber cahaya LED saya disambungkan ke Arduino, tetapi anda mungkin menggunakan bekalan kuasa yang berbeza jika anda mahu.

Langkah 12: Letakkan Sampel Pemegang Anda di Kotak Kotak

Langkah terakhir untuk membuat spektrofotometer buatan sendiri adalah meletakkan pemegang sampel di dalam kotak kotak. Saya memotong celah kecil di kotak fail untuk melewati wayar dari photoresistor. Saya menganggap langkah terakhir ini lebih sebagai seni daripada sains, kerana penempatan sebelumnya setiap komponen sistem akan mempengaruhi kedudukan pemegang sampel di selongsong kotak fail. Letakkan pemegang sampel sedemikian rupa sehingga Anda dapat menyelaraskan celah pada pemegang sampel dengan warna cahaya individu. Sebagai contoh, anda boleh meletakkan Arduino sehingga cahaya oren dan lampu hijau melonjak ke kedua-dua sisi celah sementara hanya cahaya kuning yang melewati celah ke fotoresistor. Setelah anda menemui lokasi di mana hanya satu warna untuk cahaya yang melewati celah pada pemegang sampel, gerakkan pemegang sampel secara lateral untuk mengenal pasti lokasi yang sesuai untuk satu sama lain warna (ingat, ROYGBV). Gunakan pensil untuk melukis garis lurus di bahagian bawah selongsong kotak fail untuk menandakan lokasi di mana hanya satu warna cahaya yang dapat mencapai fotoresistor. Saya meletakkan dua blok Jenga di depan dan di belakang pemegang sampel untuk memastikan saya tidak menyimpang dari tanda-tanda ini semasa membaca.

Langkah 13: Uji Spektrofotometer Buatan Sendiri - Buat Spektrum

Saya menjalankan beberapa ujian dengan spektrofotometer buatan sendiri. Sebagai jurutera alam sekitar, saya berminat dengan kualiti air dan mengambil sampel air dari sungai kecil di rumah saya. Semasa mengambil sampel, adalah penting bahawa anda menggunakan bekas yang bersih dan anda berdiri di belakang bekas semasa mengambil sampel. Berdiri di belakang sampel (iaitu di hilir titik pengumpulan) membantu mengelakkan pencemaran sampel anda dan mengurangkan tahap aktiviti anda dalam aliran mempengaruhi sampel. Dalam satu sampel (Sampel A), saya menambahkan sejumlah kecil Miracle-Gro (jumlah yang sesuai untuk tanaman dalaman, memandangkan jumlah sampel saya), dan dalam sampel lain saya tidak menambahkan apa-apa (Contoh B). Saya membiarkan sampel ini duduk di dalam bilik yang terang tanpa penutupnya untuk membolehkan fotosintesis (menutup penutup yang dibenarkan untuk pertukaran gas). Seperti yang anda lihat, dalam gambar, sampel yang dilengkapi dengan Miracle-Gro menjadi tepu dengan ganggang platonik hijau, sementara sampel tanpa Miracle-Gro tidak mengalami pertumbuhan yang signifikan setelah sekitar 15 hari. Setelah tepu dengan ganggang, saya mencairkan sebahagian daripada Sampel A dalam tabung kon 50 mL dan meninggalkannya di ruangan yang sama terang tanpa penutupnya. Kira-kira 5 hari kemudian, sudah ada perbezaan warna yang nyata, yang menunjukkan pertumbuhan alga. Perhatikan bahawa salah satu daripada empat pencairan itu hilang dalam prosesnya.

Terdapat pelbagai jenis spesies alga yang tumbuh di air tawar yang tercemar. Saya mengambil gambar alga menggunakan mikroskop dan percaya bahawa mereka adalah chlorococcum atau chlorella. Sekurang-kurangnya satu spesies alga lain sepertinya juga ada. Beritahu saya jika anda dapat mengenal pasti spesies ini!

Setelah menanam alga di Sampel A, saya mengambil sampel kecilnya dan menambahkannya ke tabung uji di spektrofotometer buatan sendiri. Saya merakam output Arduino untuk setiap warna cahaya dan mengaitkan setiap output dengan panjang gelombang purata setiap julat warna. Itu dia:

Lampu Merah = 685 nm

Cahaya Jingga = 605 nm

Lampu Kuning = 580 nm

Lampu Hijau = 532.5 nm

Cahaya Biru = 472.5 nm

Cahaya Violet = 415 nm

Saya juga merakam output Arduino untuk setiap warna cahaya ketika sampel air Taman Rusa diletakkan di tempat pemegang sampel.

Dengan menggunakan Undang-undang Bir, saya mengira nilai serapan untuk setiap pengukuran dengan mengambil logaritma dasar-10 bagi hasil penyerapan air Deep Park dibahagi dengan penyerapan Sampel A. Saya mengalihkan nilai serapan sehingga nilai serapan terendah adalah sifar, dan memplot hasilnya. Anda boleh membandingkan hasil ini dengan spektrum serapan pigmen biasa (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Dunia Alga. Asal Selular, Kehidupan di Habitat Ekstrem dan Astrobiologi.) Untuk mencuba meneka jenis pigmen terkandung dalam sampel alga.

Langkah 14: Uji Spektrofotometer Buatan Sendiri - Eksperimen Pembasmian Kuman

Dengan spektrofotometer buatan sendiri, anda dapat melakukan pelbagai aktiviti yang berbeza. Di sini, saya menjalankan eksperimen untuk melihat bagaimana alga mereput apabila terdedah kepada kepekatan pemutihan yang berbeza. Saya menggunakan produk dengan kepekatan natrium hipoklorit (iaitu peluntur) sebanyak 2.40%. Saya mulakan dengan menambahkan 50 mL sampel A hingga 50 mL tiub kon. Saya kemudian menambahkan jumlah larutan peluntur yang berlainan pada sampel dan melakukan pengukuran menggunakan spektrofotometer. Menambah 4 mL dan 2 mL larutan peluntur ke sampel menyebabkan sampel menjadi jelas dengan segera, yang menunjukkan pembasmian kuman dan penyahaktifan alga segera. Menambah hanya 1 mL dan 0.5 mL (kira-kira 15 tetes dari pipet) larutan peluntur ke sampel, membiarkan masa yang cukup untuk melakukan pengukuran menggunakan spektrofotometer buatan sendiri dan peluruhan model sebagai fungsi masa. Sebelum melakukannya, saya telah menggunakan prosedur pada langkah terakhir untuk membina spektrum untuk larutan pemutih dan menentukan bahawa panjang gelombang larutan pada cahaya merah cukup rendah sehingga akan ada sedikit gangguan dengan menghampiri penyahaktifan alga menggunakan serapan pada panjang gelombang merah cahaya. Pada lampu merah, bacaan latar dari Arduino adalah 535 [-]. Mengambil beberapa ukuran dan menerapkan Undang-undang Bir membolehkan saya membina dua lekuk yang ditunjukkan. Perhatikan bahawa nilai serapan dialihkan sehingga nilai serapan terendah adalah 0.

Sekiranya hemositometer tersedia, eksperimen masa depan dapat digunakan untuk mengembangkan regresi linier yang menghubungkan penyerapan dengan kepekatan sel dalam Sampel A. Hubungan ini kemudian dapat digunakan dalam persamaan Watson-Crick untuk menentukan nilai CT untuk penyahaktifan alga menggunakan pemutih.

Langkah 15: Pengambilan Utama

Melalui projek ini, saya mengembangkan pengetahuan saya mengenai prinsip-prinsip asas biologi dan ekologi alam sekitar. Percubaan ini membolehkan saya mengembangkan pemahaman saya mengenai pertumbuhan dan kinetik pelanggaran photoautotrophs di persekitaran akuatik. Selain itu, saya mempraktikkan teknik dalam persampelan dan analisis persekitaran sambil belajar lebih banyak mengenai mekanisme yang membolehkan alat seperti spektrofotometer berfungsi. Semasa menganalisis sampel di bawah mikroskop, saya belajar lebih banyak mengenai persekitaran mikro organisma dan menjadi biasa dengan struktur fizikal spesies individu.