Zelfgemaakte Jenga Block Spectrophotometer voor algenexperimenten - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Algen zijn fotosynthetische protisten en als zodanig kritische organismen in aquatische voedselketens. Tijdens de lente- en zomermaanden kunnen deze en andere micro-organismen zich echter vermenigvuldigen en natuurlijke waterbronnen overweldigen, wat resulteert in zuurstofgebrek en de productie van giftige stoffen. Inzicht in de snelheid waarmee deze organismen groeien, kan nuttig zijn bij het beschermen van waterbronnen en het ontwikkelen van technologieën die hun kracht benutten. Bovendien kan inzicht in de snelheid waarmee deze organismen worden gedeactiveerd nuttig zijn bij de behandeling van water en afvalwater. In dit onderzoek zal ik proberen een goedkope spectrofotometer te bouwen om de vervalsnelheden te analyseren van organismen die zijn blootgesteld aan chloorbleekmiddel in water dat is bemonsterd uit Park Creek in Horsham, Pennsylvania. Een monster van het kreekwater dat op de locatie wordt verzameld, wordt bemest met een mengsel van voedingsstoffen en in het zonlicht gelaten om de algengroei te bevorderen. De zelfgemaakte spectrofotometer laat licht met discrete golflengten door een flesje van het monster gaan voordat het wordt gedetecteerd door een fotoresistor die is aangesloten op een Arduino-circuit. Naarmate de dichtheid van organismen in het monster toeneemt, wordt verwacht dat de hoeveelheid licht die door het monster wordt geabsorbeerd, toeneemt. Deze oefening legt de nadruk op concepten in elektronica, optica, biologie, ecologie en wiskunde.

Ik heb het idee voor mijn spectrofotometer ontwikkeld uit de Instructable "Student Spectrophotometer" van Satchelfrost en het artikel "A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer" van Daniel R. Albert, Michael A. Todt en H. Floyd Davis.

Stap 1: Maak uw lichtpadframe

De eerste stap in deze Instructable is het maken van een lichtpadframe van zes Jenga-blokken en tape. Het lichtpadframe wordt gebruikt om de lichtbron, het vergrotingsapparaat en het CD-diffractierooster te positioneren en te ondersteunen. Maak twee lange stroken door drie Jenga-blokken in een lijn te plakken, zoals weergegeven in de eerste afbeelding. Plak deze strips aan elkaar zoals weergegeven in de tweede foto.

Stap 2: Maak een basis voor uw vergrotingsapparaat en bevestig deze aan het lichtpadframe

Het vergrotingsapparaat wordt op het lichtpadframe bevestigd en concentreert het door de LED uitgestraalde licht voordat het van de CD wordt afgebogen. Plak twee Jenga-blokken zo aan elkaar dat het midden van een blok in een rechte hoek staat op het einde van een ander blok, zoals weergegeven in de eerste afbeelding. Bevestig het vergrotingsapparaat aan deze basis met behulp van tape, zoals weergegeven in de derde afbeelding. Ik gebruikte een klein, goedkoop vergrootglas dat ik al een aantal jaren heb. Nadat ik het vergrotingsapparaat aan de basis had bevestigd, heb ik het vergrotingsapparaat op het lichtpadframe geplakt. Ik heb mijn vergrotingsapparaat op 13,5 cm afstand van de rand van het lichtpadframe geplaatst, maar het kan zijn dat je het apparaat op een andere positie moet bevestigen, afhankelijk van de brandpuntsafstand van het vergrootglas.

Stap 3: Creëer uw lichtbron

Om de hoeveelheid niet-geconcentreerd licht te beperken die het CD-diffractierooster en de fotoweerstand kan bereiken, heb ik elektrische tape gebruikt om een witte LED-lamp te bevestigen in een zwarte pendop met een klein gaatje aan de bovenkant. De eerste afbeelding toont de LED, de tweede afbeelding toont de getapete LED-pendop. Ik heb kleine stukjes elektrische tape gebruikt om te voorkomen dat er licht schijnt van de achterkant van de LED waar de anode- en kathodedraden zijn.

Nadat ik de LED-pendop had gemaakt, bevestigde ik de LED aan een 220-ohm-weerstand en stroombron. Ik heb de LED aangesloten op de 5V- en aardeverbindingen van een Arduino Uno-microcontroller, maar elke externe gelijkstroombron kan worden gebruikt. De weerstand is belangrijk om te voorkomen dat de LED-lamp doorbrandt.

Stap 4: Bevestig de lichtbron aan het lichtpadframe

Plak nog een Jenga-blok aan het einde van het lichtpadframe om een platform voor de lichtbron te bieden. In mijn opstelling was het Jenga-blok dat de lichtbron ondersteunt ongeveer 4 cm van de rand van het lichtpadframe geplaatst. Zoals te zien is in de tweede afbeelding, is de juiste plaatsing van de lichtbron zodanig dat de lichtstraal door het vergrotingsapparaat wordt gefocust aan het andere uiteinde van het lichtpadframe waar het CD-diffractierooster zal zijn.

Stap 5: Plaats het lichtpadframe, het vergrotingsapparaat en de lichtbron in de behuizing van de bestandsbox

Gebruik een archiefdoos of een andere afsluitbare container met ondoorzichtige zijkanten als behuizing om elk van de componenten van de spectrofotometer vast te houden. Zoals te zien is in de afbeelding, heb ik tape gebruikt om het lichtpadframe, het vergrotingsapparaat en de lichtbron in de behuizing van de archiefdoos te bevestigen. Ik heb één Jenga-blok gebruikt om het lichtpadframe op ongeveer 2,5 cm afstand van de rand van de binnenmuur van de archiefdoos te plaatsen (het Jenga-blok werd alleen gebruikt voor de afstand en werd later verwijderd).

Stap 6: Snijd en positioneer het CD-diffractierooster

Gebruik een hobbymes of een schaar om een cd in een vierkant te snijden met een reflecterend oppervlak en zijkanten van ongeveer 2,5 cm lang. Gebruik tape om de cd aan het Jenga-blok te bevestigen. Speel met de positionering van het Jenga-blok en het CD-diffractierooster om het zo te positioneren dat het een regenboog projecteert op de tegenoverliggende muur van de behuizing van de archiefdoos wanneer het licht van de LED-bron erop valt. De bijgevoegde afbeeldingen laten zien hoe ik deze componenten heb gepositioneerd. Het is belangrijk dat de geprojecteerde regenboog relatief vlak is, zoals weergegeven in de laatste afbeelding. Een liniaal en potloodschets aan de binnenkant van de muur van de archiefdoos kunnen helpen om te bepalen wanneer de projectie waterpas is.

Stap 7: Maak de monsterhouder

Druk het bijgevoegde document af en plak of plak het papier op een stuk karton. Gebruik een schaar of een hobbymes om het karton in een kruisvorm te snijden. Scoor het karton langs de gedrukte lijnen in het midden van het kruis. Snijd bovendien kleine spleten op gelijke hoogte in het midden van twee armen van het kartonnen kruis zoals afgebeeld; deze spleten zorgen ervoor dat discrete golflengten van licht door het monster naar de fotoresistor kunnen gaan. Ik heb tape gebruikt om het karton steviger te maken. Vouw het karton langs de partjes en plak het vast zodat er een rechthoekige monsterhouder ontstaat. De monsterhouder moet strak om een glazen reageerbuis passen.

Stap 8: Maak en bevestig een basis voor de monsterhouder

Plak drie Jenga-blokken aan elkaar en bevestig het geheel aan de monsterhouder zoals afgebeeld. Zorg ervoor dat de bevestiging sterk genoeg is zodat de kartonnen monsterhouder niet loskomt van de Jenga-blokbasis wanneer de reageerbuis uit de monsterhouder wordt getrokken.

Stap 9: Voeg de fotoresistor toe aan de monsterhouder

Fotoweerstanden zijn fotogeleidend en verminderen de hoeveelheid weerstand die ze bieden naarmate de lichtintensiteit toeneemt. Ik heb de fotoresistor in een kleine, houten behuizing geplakt, maar de behuizing is niet nodig. Plak de achterste fotoresistor zodanig vast dat het detectievlak direct tegen de spleet die u in de monsterhouder hebt gesneden, is geplaatst. Probeer de fotoresistor zo te plaatsen dat er zoveel mogelijk licht op valt nadat het door het monster en de sleuven van de monsterhouder is gegaan.

Stap 10: Sluit de fotoresistor aan

Om de fotoresistor in het Arduino-circuit te bedraden, heb ik eerst de draden van een oude USB-printerkabel doorgesneden en gestript. Ik heb drie blokken aan elkaar geplakt zoals afgebeeld en vervolgens de gestripte draden aan deze basis bevestigd. Met behulp van twee butt-verbindingen verbond ik de draden van de USB-printerkabel met de terminals van de fotoresistor en plakte de bases aan elkaar om één eenheid te vormen (zoals weergegeven in de vierde afbeelding). Alle lange draden kunnen worden gebruikt in plaats van de draden van de printerkabel.

Sluit een draad die afkomstig is van de fotoresistor aan op de 5V-uitgang van de Arduino. Sluit de andere draad van de fotoresistor aan op een draad die naar een van de analoge in-poorten van de Arduino leidt. Voeg vervolgens parallel een weerstand van 10 kilo-ohm toe en sluit de weerstand aan op de aardverbinding van de Arduino. De laatste figuur laat conceptueel zien hoe deze verbindingen kunnen worden gemaakt (credit aan circuit.io).

Stap 11: Sluit alle componenten aan op de Arduino

Verbind uw computer met de Arduino en upload de bijgevoegde code ernaar. Nadat u de code hebt gedownload, kunt u deze aanpassen aan uw behoeften en voorkeuren. Momenteel neemt de Arduino 125 metingen elke keer dat hij wordt uitgevoerd (hij neemt ook het gemiddelde van deze metingen aan het einde), en het analoge signaal leidt naar A2. Bovenaan de code kunt u de naam van uw monster en de monsterdatum wijzigen. Om de resultaten te bekijken, drukt u op de seriële monitorknop in de rechterbovenhoek van de Arduino-desktopinterface.

Hoewel het een beetje rommelig is, kun je zien hoe ik uiteindelijk elk onderdeel van het Arduino-circuit heb aangesloten. Ik heb twee breadboards gebruikt, maar je kunt er gemakkelijk met één doen. Bovendien is mijn LED-lichtbron aangesloten op de Arduino, maar je kunt er een andere voeding voor gebruiken als je dat wilt.

Stap 12: Plaats uw monsterhouder in de behuizing van de archiefdoos

De laatste stap bij het maken van uw zelfgemaakte spectrofotometer is het plaatsen van de monsterhouder in de behuizing van de archiefdoos. Ik sneed een kleine spleet in de archiefdoos om de draden van de fotoresistor door te voeren. Ik heb deze laatste stap als meer een kunst dan als een wetenschap beschouwd, omdat de voorafgaande plaatsing van elk onderdeel van het systeem de positionering van de monsterhouder in de behuizing van de archiefdoos zal beïnvloeden. Plaats de monsterhouder zo dat u de spleet in de monsterhouder kunt uitlijnen met een individuele lichtkleur. U kunt de Arduino bijvoorbeeld zo plaatsen dat oranje licht en groen licht op beide zijden van de spleet projecteren, terwijl alleen geel licht door de spleet naar de fotoresistor gaat. Als je eenmaal een locatie hebt gevonden waar slechts één kleur van het licht door de spleet in de monsterhouder gaat, beweeg de monsterhouder dan zijdelings om de corresponderende locaties voor elke andere kleur te identificeren (onthoud, ROYGBV). Gebruik een potlood om rechte lijnen langs de onderkant van de behuizing van de archiefdoos te tekenen om de locaties te markeren waar slechts één kleur licht de fotoresistor kan bereiken. Ik heb twee Jenga-blokken voor en achter de monsterhouder geplakt om ervoor te zorgen dat ik niet afweek van deze markeringen bij het nemen van metingen.

Stap 13: Test uw zelfgemaakte spectrofotometer - maak een spectrum

Ik heb verschillende tests uitgevoerd met mijn zelfgemaakte spectrofotometer. Als milieutechnisch ingenieur ben ik geïnteresseerd in waterkwaliteit en heb ik watermonsters genomen uit een beekje bij mijn huis. Bij het nemen van monsters is het belangrijk dat u een schone container gebruikt en dat u tijdens het nemen van monsters achter de container gaat staan. Achter het monster gaan staan (d.w.z. stroomafwaarts van het verzamelpunt) helpt besmetting van uw monster te voorkomen en vermindert de mate waarin uw activiteit in de stroom het monster aantast. In één monster (monster A) heb ik een kleine hoeveelheid Miracle-Gro toegevoegd (de hoeveelheid die geschikt is voor kamerplanten, gezien mijn monstervolume), en in het andere monster heb ik niets toegevoegd (monster B). Ik liet deze monsters in een goed verlichte kamer zitten zonder hun deksels om fotosynthese mogelijk te maken (de deksels eraf houden toegestaan voor gasuitwisseling). Zoals je op de foto's kunt zien, raakte het monster dat was aangevuld met Miracle-Gro verzadigd met groene platonische algen, terwijl het monster zonder Miracle-Gro na ongeveer 15 dagen geen noemenswaardige groei vertoonde. Nadat het was verzadigd met algen, heb ik een deel van monster A verdund in conische buisjes van 50 ml en deze zonder deksel in dezelfde goed verlichte kamer gelaten. Ongeveer 5 dagen later waren er al merkbare verschillen in hun kleur, wat wijst op algengroei. Merk op dat een van de vier verdunningen helaas verloren is gegaan in het proces.

Er zijn verschillende soorten algen die in vervuild zoet water groeien. Ik nam foto's van de algen met een microscoop en geloof dat het chlorococcum of chlorella is. Ten minste één andere algensoort lijkt ook aanwezig te zijn. Laat het me weten als je deze soorten kunt identificeren!

Nadat ik de algen in monster A had gekweekt, nam ik er een klein monster van en voegde het toe aan de reageerbuis in de zelfgemaakte spectrofotometer. Ik nam de output van de Arduino op voor elke lichtkleur en associeerde elke output met de gemiddelde golflengte van elk kleurbereik. Dat is:

Rood licht = 685 nm

Oranje licht = 605 nm

Geel licht = 580 nm

Groen licht = 532,5 nm

Blauw licht = 472,5 nm

Violet licht = 415 nm

Ik heb ook de output van de Arduino opgenomen voor elke lichtkleur wanneer een monster van Deer Park-water in de monsterhouder werd geplaatst.

Met behulp van de wet van Beer heb ik de absorptiewaarde voor elke meting berekend door de logaritme met grondtal 10 te nemen van het quotiënt van de waterabsorptie van Deep Park gedeeld door de absorptie van monster A. Ik heb de absorptiewaarden verschoven zodat de absorptie van de laagste waarde nul was en de resultaten uitgezet. Je kunt deze resultaten vergelijken met het absorptiespectrum van veel voorkomende pigmenten (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) om te proberen de soorten pigmenten te raden in het algenmonster.

Stap 14: Test uw zelfgemaakte spectrofotometer - desinfectie-experiment

Met uw zelfgemaakte spectrofotometer kunt u verschillende activiteiten uitvoeren. Hier heb ik een experiment uitgevoerd om te zien hoe de algen vergaan wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende concentraties bleekmiddel. Ik gebruikte een product met een natriumhypochloriet (d.w.z. bleekmiddel) concentratie van 2,40%. Ik begon met het toevoegen van 50 ml monster A aan conische buisjes van 50 ml. Vervolgens heb ik verschillende hoeveelheden bleekmiddel aan de monsters toegevoegd en metingen gedaan met de spectrofotometer. Door 4 ml en 2 ml bleekoplossing aan de monsters toe te voegen, werden de monsters bijna onmiddellijk helder, wat wijst op bijna onmiddellijke desinfectie en deactivering van de algen. Door slechts 1 ml en 0,5 ml (ongeveer 15 druppels uit een pipet) van de bleekoplossing aan de monsters toe te voegen, was er voldoende tijd om metingen uit te voeren met behulp van de zelfgemaakte spectrofotometer en het verval van het model als functie van de tijd. Voordat ik dit deed, had ik de procedure in de laatste stap gebruikt om een spectrum voor de bleekoplossing te construeren en vastgesteld dat de golflengte van de oplossing bij rood licht laag genoeg was dat er weinig interferentie zou zijn met het benaderen van de deactivering van algen met behulp van absorptie bij de golflengten van rood licht. Bij rood licht was de achtergrondwaarde van de Arduino 535 [-]. Door verschillende metingen te doen en de wet van Beer toe te passen, kon ik de twee getoonde curven construeren. Merk op dat de absorptiewaarden zijn verschoven zodat de laagste geabsorbeerde waarde 0 is.

Als er een hemocytometer beschikbaar is, kunnen toekomstige experimenten worden gebruikt om een lineaire regressie te ontwikkelen die de absorptie relateert aan de celconcentratie in monster A. Deze relatie zou vervolgens kunnen worden gebruikt in de Watson-Crick-vergelijking om de CT-waarde te bepalen voor deactivering van algen met bleekmiddel.

Stap 15: Belangrijkste afhaalrestaurants

Door dit project heb ik mijn kennis vergroot van principes die fundamenteel zijn voor milieubiologie en ecologie. Door dit experiment kon ik mijn begrip van de groei- en vervalkinetiek van foto-autotrofen in aquatische omgevingen verder ontwikkelen. Daarnaast oefende ik technieken voor het nemen van monsters en analyses van de omgeving, terwijl ik meer leerde over de mechanismen die instrumenten zoals spectrofotometers laten werken. Terwijl ik monsters onder de microscoop analyseerde, leerde ik meer over de micro-omgevingen van organismen en raakte ik vertrouwd met de fysieke structuren van individuele soorten.