اسپکتروفتومتر بلوک Jenga Block برای آزمایش جلبک: 15 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

جلبک ها پروتئوس های اولیه فتوسنتز هستند و به همین ترتیب ، موجودات حیاتی در زنجیره های غذایی آبزیان هستند. اما در ماههای بهار و تابستان ، این میکروارگانیسمها و سایر میکروارگانیسمها می توانند منابع طبیعی آب را تکثیر کرده و تحت فشار قرار دهند و در نتیجه اکسیژن کم شده و مواد سمی تولید شوند. درک میزان رشد این موجودات می تواند در حفاظت از منابع آب و همچنین توسعه فناوری هایی که از قدرت آنها استفاده می کند مفید باشد. علاوه بر این ، درک میزان غیرفعال شدن این موجودات می تواند در تصفیه آب و فاضلاب مفید باشد. در این تحقیق ، من سعی می کنم یک دستگاه اسپکتروفتومتر ارزان قیمت بسازم تا میزان پوسیدگی موجودات زنده در معرض سفید کننده کلر در آب نمونه گیری شده از پارک کریک در هورشام ، پنسیلوانیا را تجزیه و تحلیل کنم. نمونه ای از آب نهر جمع آوری شده از محل ، با یک ترکیب مواد مغذی بارور شده و در معرض نور خورشید قرار می گیرد تا رشد جلبک را افزایش دهد. دستگاه اسپکتروفتومتر خانگی به نور در طول موج های گسسته اجازه می دهد تا قبل از تشخیص توسط مقاومت نوری متصل به مدار آردوینو از یک ویال نمونه عبور کند. با افزایش چگالی موجودات زنده در نمونه ، میزان جذب نور توسط نمونه افزایش می یابد. این تمرین بر مفاهیم الکترونیک ، اپتیک ، زیست شناسی ، اکولوژی و ریاضیات تأکید می کند.

من ایده اسپکتروفتومتر خود را از طریق "اسپکتروفتومتر دانش آموزی" توسط Satchelfrost و مقاله "طیف سنجی کم هزینه جذب کمی" توسط Daniel R. Albert ، Michael A. Todt و H. Floyd Davis توسعه داده ام.

مرحله 1: قاب نور مسیر خود را ایجاد کنید

اولین قدم در این دستورالعمل ایجاد یک قاب مسیر نور از شش بلوک و نوار Jenga است. قاب مسیر نور برای موقعیت یابی و پشتیبانی منبع نور ، دستگاه بزرگنمایی و گریتینگ پراش CD استفاده می شود. همانطور که در تصویر اول نشان داده شده است ، با زدن سه بلوک Jenga در یک خط ، دو نوار بلند ایجاد کنید. همانطور که در عکس دوم نشان داده شده است ، این نوارها را به هم بچسبانید.

مرحله 2: یک پایه برای دستگاه بزرگنمایی خود ایجاد کرده و آن را به قاب مسیر نور متصل کنید

دستگاه بزرگنمایی به قاب مسیر نور وصل می شود و قبل از پراش از CD ، نور ساطع شده توسط LED را متمرکز می کند. دو بلوک Jenga را به هم بچسبانید به طوری که وسط یک بلوک همانطور که در تصویر اول نشان داده شده است نسبت به انتهای یک بلوک دیگر زاویه ای راست داشته باشد. مطابق تصویر سوم ، دستگاه بزرگنمایی را به این پایه وصل کنید. من از یک ذره بین کوچک و ارزان قیمت استفاده کردم که چندین سال است آن را دارم. پس از اتصال دستگاه بزرگنمایی به پایه آن ، دستگاه بزرگنمایی را به قاب مسیر نور چسباندم. من دستگاه بزرگنمایی خود را 13.5 سانتیمتر از لبه قاب مسیر نور قرار دادم ، اما ممکن است لازم باشد بسته به فاصله کانونی ذره بین دستگاه خود را در موقعیت متفاوتی ثابت کنید.

مرحله 3: منبع نور خود را ایجاد کنید

برای محدود کردن میزان نور غیر متمرکز که می تواند به توری پراش سی دی و مقاومت نوری برسد ، از نوار برقی برای تعمیر یک لامپ LED سفید در داخل یک درپوش سیاه قلم که یک سوراخ کوچک در بالای آن بود استفاده کردم. تصویر اول LED را نشان می دهد ، تصویر دوم درپوش نوار چسب LED را نشان می دهد. من از قطعات کوچک نوار الکتریکی برای جلوگیری از تابش نور از پشت LED جایی که سیمهای آند و کاتد هستند ، استفاده کردم.

پس از ایجاد درپوش قلم LED ، LED را به مقاومت و منبع تغذیه 220 اهم متصل کردم. LED را به اتصالات 5 ولت و زمین یک میکروکنترلر Arduino Uno وصل کردم ، اما می توان از هر منبع تغذیه DC خارجی استفاده کرد. مقاومت برای جلوگیری از سوختن چراغ LED مهم است.

مرحله 4: منبع نور را در قاب مسیر نور ایمن کنید

یک بلوک Jenga دیگر را در انتهای قاب مسیر نور بچسبانید تا بستری برای منبع نور فراهم شود. در تنظیمات من ، بلوک Jenga که منبع نور را پشتیبانی می کند ، تقریباً 4 سانتی متر از لبه قاب مسیر نور قرار داشت. همانطور که در تصویر دوم نشان داده شده است ، محل قرارگیری صحیح منبع نور به گونه ای است که پرتو نور از طریق دستگاه بزرگنمایی در انتهای مخالف قاب مسیر نور متمرکز می شود ، جایی که توری پراش سی دی قرار خواهد گرفت.

مرحله 5: قاب مسیر ، دستگاه بزرگنمایی و منبع نور را در قاب جعبه فایل قرار دهید

برای نگه داشتن هر یک از اجزای اسپکتروفتومتر از یک جعبه فایل یا یک ظرف قابل مهر و موم دیگر با کناره های مات به عنوان یک پوشش استفاده کنید. همانطور که در شکل نشان داده شده است ، من از نوار برای ایمن سازی قاب مسیر نور ، دستگاه بزرگنمایی و منبع نور در قاب جعبه فایل استفاده کردم. من از یک بلوک Jenga برای فاصله دهی قاب مسیر نور تقریباً 2.5 سانتی متر از لبه دیوار داخلی جعبه فایل استفاده کردم (بلوک Jenga فقط برای فاصله استفاده شد و بعداً حذف شد).

مرحله 6: گریتینگ پراش CD را برش داده و قرار دهید

با چاقو یا قیچی سرگرمی ، سی دی را به صورت مربع با صورت بازتابنده و طرفین تقریباً 2.5 سانتی متر برش دهید. از نوار برای اتصال CD به بلوک Jenga استفاده کنید. با موقعیت بلوک Jenga و گیره پراش CD برای قرار دادن آن به گونه ای بازی کنید که هنگام برخورد نور از منبع LED به آن ، رنگین کمانی بر روی دیوار مقابل جعبه فایل قرار گیرد. تصاویر پیوست نشان می دهد که چگونه این اجزا را قرار داده ام. مهم است که رنگین کمان پیش بینی شده نسبتاً هم سطح باشد همانطور که در تصویر گذشته نشان داده شده است. یک خط کش و مداد در داخل دیوار جعبه فایل ممکن است به تعیین زمان برآمدگی سطح کمک کند.

مرحله 7: دارنده نمونه را ایجاد کنید

سند ضمیمه شده را چاپ کنید و کاغذ را روی یک تکه مقوا بچسبانید یا بچسبانید. از یک قیچی یا یک چاقوی سرگرمی برای برش مقوا به شکل ضربدری استفاده کنید. مقوا را در امتداد خطوط چاپ شده در مرکز صلیب نمره گذاری کنید. علاوه بر این ، شکافهای کوچک را در ارتفاع مساوی در وسط دو بازوی مقطع مقوایی مطابق شکل برش دهید. این شکافها به طول موجهای گسسته نور اجازه می دهند تا از طریق نمونه به مقاومت نوری منتقل شوند. من از نوار برای محکم تر شدن مقوا استفاده کردم. مقوا را در امتداد نمره ها تا کنید و چسب بزنید تا یک نگهدارنده نمونه مستطیلی شکل شود. نگهدارنده نمونه باید محکم در اطراف یک لوله آزمایش شیشه ای قرار گیرد.

مرحله 8: یک پایگاه برای نمونه نگهدارنده ایجاد و ضمیمه کنید

سه بلوک Jenga را به هم بچسبانید و مجموعه را مطابق شکل به نگهدارنده نمونه وصل کنید. اطمینان حاصل کنید که ضمیمه به اندازه کافی محکم است تا زمانی که لوله آزمایش از نگهدارنده نمونه خارج می شود ، نگهدارنده نمونه مقوایی از پایه بلوک Jenga جدا نشود.

مرحله 9: Photoresistor را به دارنده نمونه اضافه کنید

مقاومت های نوری هدایت کننده نور هستند و با افزایش شدت نور ، میزان مقاومت آنها را کاهش می دهند. من مقاومت نوری را در یک محفظه کوچک و چوبی چسباندم ، اما محفظه لازم نیست. مقاومت نوری پشتی را به گونه ای بچسبانید که صورت حسگر آن مستقیماً در برابر شکافی که در نگهدارنده نمونه بریده اید قرار گیرد. سعی کنید مقاومت نوری را تا جایی که ممکن است پس از عبور از نمونه و شکاف های نگهدارنده نمونه به آن وارد شود.

مرحله 10: مقاومت در برابر نور را سیم کشی کنید

برای سیم کشی مقاومت نوری در مدار آردوینو ، ابتدا سیمهای یک کابل چاپگر USB قدیمی را بریدم و جدا کردم. مطابق شکل سه بلوک را به هم چسباندم ، و سپس سیمهای بریده شده را به این پایه وصل کردم. با استفاده از دو قلم باله ، سیمهای کابل چاپگر USB را به پایانه های مقاومت نوری وصل کردم و پایه ها را به هم چسباندم تا یک واحد تشکیل شود (همانطور که در تصویر چهارم نشان داده شده است). هر سیم طولانی را می توان به جای سیم کابل چاپگر استفاده کرد.

یک سیم خروجی از مقاومت در برابر نور را به خروجی 5 ولت آردوینو وصل کنید. سیم دیگر را از مقاومت نوری به سیم متصل به یکی از آنالوگ آردوینو در پورت ها متصل کنید. سپس ، یک مقاومت 10 کیلو اهم را به طور موازی اضافه کنید و مقاومت را به اتصال زمین آردوینو وصل کنید. شکل آخر به طور مفهومی نحوه ایجاد این ارتباطات را نشان می دهد (اعتبار به circuit.io).

مرحله 11: همه قطعات را به آردوینو وصل کنید

رایانه خود را به آردوینو متصل کرده و کد پیوست شده را روی آن بارگذاری کنید. پس از بارگیری کد ، می توانید آن را متناسب با نیازها و ترجیحات خود تنظیم کنید. در حال حاضر ، آردوینو هر بار که اجرا می شود 125 اندازه گیری را انجام می دهد (همچنین در پایان این میانگین ها را اندازه گیری می کند) و سیگنال آنالوگ آن به A2 منتهی می شود. در بالای کد ، می توانید نام نمونه و تاریخ نمونه را تغییر دهید. برای مشاهده نتایج ، دکمه سریال مانیتور را در بالا سمت راست رابط کاربری Arduino فشار دهید.

اگرچه کمی کثیف است ، اما می بینید که چگونه من تمام قطعات مدار آردوینو را به هم متصل کردم. من از دو تخته نان استفاده کردم ، اما شما به راحتی می توانید تنها با یکی از آنها تخته غذا تهیه کنید. علاوه بر این ، منبع نور LED من به آردوینو متصل است ، اما اگر ترجیح می دهید ممکن است از منبع تغذیه دیگری برای آن استفاده کنید.

مرحله 12: دارنده نمونه خود را در جعبه جعبه فایل قرار دهید

آخرین مرحله در ایجاد دستگاه اسپکتروفتومتر خانگی ، قرار دادن نگهدارنده نمونه در قاب جعبه فایل است. من یک شکاف کوچک در جعبه فایل بریدم تا سیمهای مقاومت در برابر عکس را از داخل عبور دهم. من این مرحله آخر را بیشتر یک هنر تلقی کردم تا یک علم ، زیرا قرار دادن قبلی هر یک از اجزای سیستم بر موقعیت نگهدارنده نمونه در قاب جعبه فایل تأثیر می گذارد. نگهدارنده نمونه را طوری قرار دهید که بتوانید شکاف را در محل نگهدارنده نمونه با رنگ نور جداگانه تراز کنید. به عنوان مثال ، می توانید آردوینو را طوری قرار دهید که نور نارنجی و نور سبز به دو طرف شکاف منتقل شود در حالی که فقط نور زرد از شکاف به مقاومت نوری می گذرد. هنگامی که مکانی را پیدا کردید که تنها یک رنگ نور از شکاف نگهدارنده نمونه عبور می کند ، نگهدارنده نمونه را به صورت جانبی حرکت دهید تا مکان های مربوط به هر رنگ دیگر را مشخص کنید (به یاد داشته باشید ، ROYGBV). از یک مداد برای کشیدن خطوط مستقیم در پایین جعبه فایل استفاده کنید تا مکانهایی را مشخص کنید که تنها یک رنگ نور می تواند به مقاومت نوری برسد. من دو بلوک Jenga را در جلو و پشت نگهدارنده نمونه ضبط کردم تا مطمئن شوم هنگام خواندن قرائت از این نشانه ها منحرف نشده ام.

مرحله 13: طیف سنج خانگی خود را آزمایش کنید - طیفی بسازید

چندین آزمایش را با دستگاه اسپکتروفتومتر خانگی انجام دادم. به عنوان یک مهندس محیط زیست ، من به کیفیت آب علاقه مند هستم و نمونه های آب را از یک جریان کوچک در خانه ام گرفتم. هنگام گرفتن نمونه ، مهم است که از یک ظرف تمیز استفاده می کنید و هنگام نمونه گیری پشت ظرف بایستید. ایستادن پشت نمونه (یعنی پایین دست محل جمع آوری) به جلوگیری از آلودگی نمونه شما کمک می کند و میزان فعالیت شما در جریان را بر نمونه کاهش می دهد. در یک نمونه (نمونه A) ، مقدار کمی Miracle-Gro (مقدار مناسب برای گیاهان داخلی ، با توجه به حجم نمونه من) اضافه کردم ، و در نمونه دیگر هیچ چیزی (نمونه B) اضافه نکردم. من این نمونه ها را در یک اتاق با نور خوب و بدون درب آنها قرار دادم تا امکان فتوسنتز وجود داشته باشد (برای جلوگیری از تبادل گاز اجازه جلوگیری از بسته شدن درپوش ها). همانطور که می بینید ، در تصاویر ، نمونه ای که با Miracle-Gro تکمیل شده بود با جلبک های سبز پلاتونی اشباع شد ، در حالی که نمونه بدون Miracle-Gro پس از حدود 15 روز رشد قابل توجهی را تجربه نکرد. بعد از اشباع شدن جلبک ها ، مقداری از نمونه A را در لوله های مخروطی 50 میلی لیتری رقیق کردم و بدون درپوش در همان اتاق روشن قرار دادم. تقریباً 5 روز بعد ، تفاوت های قابل توجهی در رنگ آنها وجود داشت که نشان دهنده رشد جلبک ها بود. توجه داشته باشید که متأسفانه یکی از چهار رقیق سازی در این روند از بین رفت.

انواع مختلفی از گونه های جلبک وجود دارد که در آبهای شیرین آلوده رشد می کنند. من با استفاده از میکروسکوپ از جلبک ها عکس گرفتم و معتقدم که آنها یا کلروکوک هستند یا کلرلا. به نظر می رسد حداقل یک گونه دیگر از جلبک ها نیز وجود داشته باشد. لطفاً اگر قادر به شناسایی این گونه ها هستید به من اطلاع دهید!

پس از رشد جلبک ها در نمونه A ، نمونه کوچکی از آن را گرفتم و در دستگاه اسپکتروفتومتر خانگی به لوله آزمایش اضافه کردم. خروجی های آردوینو را برای هر رنگ نور ثبت کردم و هر خروجی را با طول موج متوسط هر محدوده رنگ مرتبط کردم. به این معنا که:

چراغ قرمز = 685 نانومتر

نور نارنجی = 605 نانومتر

نور زرد = 580 نانومتر

چراغ سبز = 532.5 نانومتر

نور آبی = 472.5 نانومتر

نور بنفش = 415 نانومتر

من همچنین خروجی های آردوینو را برای هر رنگ نور هنگام قرار دادن نمونه ای از آب پارک گوزن در نگهدارنده نمونه ثبت کردم.

با استفاده از قانون بیر ، مقدار جذب را برای هر اندازه گیری با در نظر گرفتن لگاریتم پایه 10 ضریب جذب آب Deep Park تقسیم بر جذب نمونه A محاسبه کردم. مقادیر جذب را طوری تغییر دادم که جذب کمترین مقدار صفر بود و نتایج را ترسیم کردم. می توانید این نتایج را با طیف جذب رنگدانه های معمولی مقایسه کنید (Sahoo، D.، & Seckbach، J. (2015). The Algae World. Cellular Origin، Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) تا سعی کنید انواع رنگدانه ها را حدس بزنید. موجود در نمونه جلبک

مرحله 14: طیف سنج خانگی خود را آزمایش کنید - آزمایش ضد عفونی کردن

با دستگاه اسپکتروفتومتر خانگی خود می توانید انواع مختلفی از فعالیت ها را انجام دهید. در اینجا ، من آزمایشی را انجام دادم تا ببینم چگونه جلبک ها در معرض غلظت های مختلف سفید کننده قرار می گیرند. من از محصولی با غلظت هیپوکلریت سدیم (یعنی سفید کننده) 2.40 used استفاده کردم. من با افزودن 50 میلی لیتر نمونه A به 50 میلی لیتر لوله مخروطی شروع کردم. سپس مقادیر مختلف محلول سفید کننده را به نمونه ها اضافه کردم و با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه گیری کردم. افزودن 4 میلی لیتر و 2 میلی لیتر محلول سفید کننده به نمونه ها باعث شد که نمونه ها تقریباً بلافاصله شفاف شوند ، که نشان دهنده ضدعفونی و غیرفعال شدن تقریباً جلبک ها است. افزودن فقط 1 میلی لیتر و 0.5 میلی لیتر (تقریبی 15 قطره از یک پیپت) محلول سفید کننده به نمونه ها ، زمان کافی برای اندازه گیری با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر خانگی و پوسیدگی مدل را به عنوان تابعی از زمان فراهم می کند. قبل از انجام این کار ، من در آخرین مرحله از روش برای ساختن طیفی برای محلول سفید کننده استفاده کردم و تعیین کردم که طول موج محلول در نور قرمز به اندازه کافی کم است و در تقریب غیرفعال سازی جلبک با استفاده از جذب در طول موج های قرمز تداخل کمی وجود خواهد داشت. سبک. در چراغ قرمز ، پس زمینه خوانده شده از آردوینو 535 بود [-]. انجام چندین اندازه گیری و اعمال قانون بیر به من امکان ساخت دو منحنی نشان داده شده را داد. توجه داشته باشید که مقادیر جذب به گونه ای تغییر کرده است که کمترین مقدار جذب 0 است.

اگر هموسیتومتر در دسترس باشد ، می توان از آزمایش های آینده برای ایجاد یک رگرسیون خطی که جذب را به غلظت سلول در نمونه A مربوط می کند ، استفاده کرد. این رابطه می تواند در معادله واتسون-کریک برای تعیین مقدار CT برای غیرفعال سازی جلبک ها با استفاده از سفید کننده استفاده شود. به

مرحله 15: نکات کلیدی مهم

از طریق این پروژه ، من دانش خود را در مورد اصول اساسی زیست شناسی و اکولوژی محیط زیست افزایش دادم. این آزمایش به من این امکان را داد تا درک خود را از رشد و سینتیک پوسیدگی فوتوتوتروف ها در محیط های آبی بیشتر توسعه دهم. علاوه بر این ، من تکنیک های نمونه گیری و تجزیه و تحلیل محیطی را تمرین کردم در حالی که در مورد مکانیسم هایی که به ابزارهایی مانند طیف سنجی اجازه کار می دهند ، بیشتر آشنا شدم. در حالی که نمونه ها را زیر میکروسکوپ تجزیه و تحلیل می کردم ، با محیط زیست موجودات زنده بیشتر آشنا شدم و با ساختارهای فیزیکی گونه های جداگانه آشنا شدم.