ספקטרופוטומטר בלוק ג'נגה תוצרת בית לניסויי אצות: 15 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

אצות הן פרוטיסטים פוטוסינתטיים, וככאלה, הם אורגניזמים קריטיים בשרשראות מזון מימיות. אולם במהלך חודשי האביב והקיץ, מיקרואורגניזמים אלה ואחרים יכולים להתרבות ולהציף את משאבי המים הטבעיים, וכתוצאה מכך להידלדל חמצן וליצור חומרים רעילים. הבנת הקצב בו גדלים אורגניזמים אלה יכולה להיות שימושית בהגנה על מקורות המים וכן בפיתוח טכנולוגיות המנצלות את כוחן. בנוסף, הבנת הקצב שבו אורגניזמים אלה מושבתים יכולה להיות שימושית בטיפול במים ושפכים. בחקירה זו אנסה לבנות ספקטרופוטומטר בעלות נמוכה לניתוח שיעורי הריקבון של אורגניזמים שנחשפו לאקונומיקה כלור במים שנדגמו מפארק קריק בהורשאם שבפנסילבניה. דגימה של מי נחל שנאספו מהאתר יופרו בתערובת מזינה וישאירו באור שמש כדי לקדם את צמיחת האצות. ספקטרופוטומטר תוצרת בית יאפשר לאור באורכי גל נפרדים לעבור בבקבוקון של הדגימה לפני שהוא מזוהה על ידי פוטורסיסטור המחובר למעגל Arduino. ככל שצפיפות האורגניזמים בדגימה עולה, כמות האור שנספגת במדגם צפויה לעלות. תרגיל זה ידגיש מושגים באלקטרוניקה, אופטיקה, ביולוגיה, אקולוגיה ומתמטיקה.

פיתחתי את הרעיון לספקטרופוטומטר שלי מתוך "תלמידי הספקטרופוטומטר" הנלמדים של סצ'לפרוסט והנייר "ספקטרופוטומטר קליטה כמותית בעלות נמוכה" מאת דניאל ר. אלברט, מייקל א. טודט והו פלויד דייוויס.

שלב 1: צור את מסגרת נתיב האור שלך

השלב הראשון במדריך זה הוא יצירת מסגרת נתיב אור משישה גושי ג'נגה וקלטת. מסגרת נתיב האור תשמש למיקום ותמיכה של מקור האור, מכשיר הגדלה וסורג עקיפת תקליטורים. צור שתי רצועות ארוכות על ידי הדבקת שלושה גושי ג'נגה בשורה כפי שמוצג בתמונה הראשונה. הדביקו את הרצועות הללו יחד כפי שמוצג בתמונה השנייה.

שלב 2: צור בסיס למכשיר ההגדלה שלך והצמד אותו למסגרת נתיב האור

מכשיר ההגדלה יוצמד למסגרת נתיב האור וירכז את האור הנפלט על ידי הנורית לפני פריקה מהתקליטור. הדביקו שני בלוקים של ג'נגה כך שאמצע בלוק אחד נמצא בזווית ישרה לקצה בלוק אחר כפי שמוצג בתמונה הראשונה. חבר את מכשיר ההגדלה לבסיס זה באמצעות קלטת כפי שמוצג בתמונה השלישית. השתמשתי בזכוכית מגדלת קטנה וזולה שיש לי כבר כמה שנים. לאחר שחיברתי את מכשיר ההגדלה לבסיס שלו, הדבקתי את מכשיר ההגדלה למסגרת נתיב האור. מיקמתי את מכשיר ההגדלה שלי במרחק של 13.5 ס מ מקצה מסגרת מסלול האור, אך ייתכן שיהיה עליך לתקן את המכשיר שלך במיקום שונה בהתאם לאורך המוקד של זכוכית המגדלת.

שלב 3: צור את מקור האור שלך

כדי להגביל את כמות האור הלא מרוכז שיכול להגיע לסורג עקיפת התקליטור ולפוטוריסטור, השתמשתי בקלטת חשמל כדי לתקן נורת לד לבנה בתוך מכסה עט שחור בעל חור קטן בחלקו העליון. התמונה הראשונה מציגה את ה- LED, התמונה השנייה מציגה את מכסה עט ה- LED המודבק. השתמשתי בחתיכות קלטות חשמליות קטנות כדי למנוע מאור לזרוח מהחלק האחורי של הלד שבו נמצאים חוטי האנודה והקטודה.

לאחר יצירת מכסה העט לד, חיברתי את הנורית לנגד 220 אוהם ולמקור מתח. חיברתי את ה- LED לחיבורי 5V וקרקע של מיקרו -בקר Arduino Uno, אך ניתן להשתמש בכל מקור כוח DC חיצוני. הנגד חשוב למניעת צריבת נורית LED.

שלב 4: אבטח את מקור האור למסגרת נתיב האור

הדביקו עוד גוש ג'נגה סמוך לקצה מסגרת שביל האור כדי לספק פלטפורמה למקור האור. במערך שלי, בלוק הג'נגה התומך במקור האור היה ממוקם כ -4 ס מ מקצה מסגרת מסלול האור. כפי שמוצג בתמונה השנייה, המיקום הנכון של מקור האור הוא כזה שקרן האור מתמקדת דרך מכשיר ההגדלה בקצה הנגדי של מסגרת נתיב האור שבה תהיה סורג עקיפת התקליטור.

שלב 5: הנח את מסגרת נתיב האור, מכשיר ההגדלה ומקור האור בתיבת הקבצים

השתמש בתיבת קבצים או במיכל אחר שניתן לאטום עם צדדים אטומים כמארז כדי להחזיק כל אחד מרכיבי הספקטרופוטומטר. כפי שמוצג באיור, השתמשתי בקלטת לאבטחת מסגרת נתיב האור, מכשיר הגדלה ומקור אור בתיבת הקבצים. השתמשתי בבלוק ג'נגה אחד כדי להרחיק את מסגרת שביל האור במרחק של כ -2.5 ס מ מקצה הקיר הפנימי של תיבת הקבצים (בלוק הג'נגה שימש אך ורק למרווחים והוסר מאוחר יותר).

שלב 6: חותכים וממקמים את סורג העפרת התקליטור

השתמש בסכין תחביב או במספריים כדי לחתוך תקליטור לריבוע עם פנים רפלקטיביות ודפנות באורך של כ- 2.5 ס מ. השתמש בקלטת כדי לצרף את התקליטור לגוש הג'נגה. שחקו עם המיקום של בלוק הג'נגה וסורג עקיפת התקליטורים כדי למקם אותו כך שהוא יטיל קשת על הקיר הנגדי של מעטפת תיבת הקבצים כאשר אור ממקור ה- LED פוגע בו. התמונות המצורפות מראות כיצד מיקמתי את הרכיבים הללו. חשוב שהקשת המוקרנת תהיה ברמה יחסית כפי שמוצג בתמונה האחרונה. רישום של סרגל ועיפרון בחלק הפנימי של קיר תיבת הקבצים עשוי לסייע בקביעת מתי ההקרנה מישורית.

שלב 7: צור את מחזיק הדוגמא

הדפיסו את המסמך המצורף והדביקו או הדביקו את הנייר על פיסת קרטון. חותכים את הקרטון לצורת צלב בעזרת מספריים או סכין תחביב. סמן את הקרטון לאורך הקווים המודפסים במרכז הצלב. בנוסף, חתכו חריצים קטנים בגובה שווה באמצע שתי זרועות של צלב הקרטון כפי שמוצג; חריצים אלה יאפשרו לאורכי גל בדידים של אור לעבור דרך המדגם אל הפוטורזיסטור. השתמשתי בקלטת כדי להפוך את הקרטון לחזק יותר. מקפלים את הקרטון לאורך הציונים והדביקו אותו כך שנוצר מחזיק מדגם מלבני. מחזיק הדגימה צריך להתאים בחוזקה סביב מבחנה מזכוכית.

שלב 8: צור וציר בסיס למחזיק הדגימה

הדביקו יחד שלושה קוביות ג'נגה והצמידו את המכלול למחזיק הדגימה כפי שמוצג. וודא שהקובץ המצורף חזק מספיק כדי שמחזיק הדגימה מקרטון לא ייפרד מבסיס גוש הג'נגה כאשר המבחנה נשלפת מהמחזיק לדוגמא.

שלב 9: הוסף את הפוטורזיסטור למחזיק הדגימה

פוטורסוריסטורים הם פוטו מוליכים ומפחיתים את כמות ההתנגדות שהם מספקים ככל שעוצמת האור עולה. הדבקתי את הפוטורזיסטור לתוך בית קטן מעץ, אך אין צורך בדיור. הדביקו את הפוטורזיסטור האחורי כך שפניו החושות ממוקמות ישירות מול החריץ שחתכתם במחזיק הדגימה. נסה למקם את הפוטורזיסטור כך שאור רב ככל האפשר יפגע בו לאחר שעבר דרך המדגם וחריצי בעל הדגימה.

שלב 10: חברו את הפוטורזיסטור

כדי לחבר את הפוטורזיסטור במעגל הארדואינו, קודם כל חתכתי והפשטתי את חוטי כבל מדפסת USB ישן. הדבקתי שלושה בלוקים יחד כפי שמוצג ולאחר מכן חיברתי את החוטים המופשטים לבסיס זה. באמצעות שתי חבורות קת, חיברתי את חוטי כבל המדפסת USB למסופי הפוטורזיסטור והדבקתי את הבסיסים ליצירת יחידה אחת (כפי שמוצג בתמונה הרביעית). ניתן להשתמש בכל חוטים ארוכים במקום חוטי כבל המדפסת.

חבר חוט אחד הבוקע מהפוטוריסטור לפלט הספק 5V של הארדואינו. חבר את החוט השני מהפוטורזיסטור לחוט המוביל לאחד היציאות האנלוגיות של הארדואינו. לאחר מכן, הוסף נגד 10 קילו אוהם במקביל וחבר את הנגד לחיבור הארקה של הארדואינו. הנתון האחרון מראה באופן מושגי כיצד ניתן ליצור קשרים אלה (קרדיט ל- circuit.io).

שלב 11: חבר את כל הרכיבים ל- Arduino

חבר את המחשב שלך ל- Arduino והעלה אליו את הקוד המצורף. לאחר הורדת הקוד, תוכל להתאים אותו לצרכיך והעדפותיך. נכון לעכשיו, הארדואינו מבצע 125 מדידות בכל פעם שהוא מופעל (הוא גם ממוצע מדידות אלה בסוף), והאות האנלוגי שלו מוביל ל- A2. בחלק העליון של הקוד, תוכל לשנות את שם המדגם ואת תאריך המדגם. לצפייה בתוצאות, לחץ על כפתור הצג הטורי בפינה השמאלית העליונה של ממשק שולחן העבודה של Arduino.

למרות שזה קצת מבולגן, אתה יכול לראות איך בסופו של דבר חיברתי כל רכיב במעגל Arduino. השתמשתי בשני לוחות לחם, אבל אתה יכול בקלות לעשות עם רק אחד. בנוסף, מקור האור LED שלי מחובר ל- Arduino, אך תוכל להשתמש בשבילו באספקת חשמל אחרת אם תרצה.

שלב 12: הנח את מחזיק הדוגמה שלך בתיבת הקבצים

השלב האחרון ביצירת הספקטרופוטומטר הביתי שלך הוא למקם את מחזיק הדגימה בתוך מעטפת תיבת הקבצים. חתכתי חריץ קטן בתיבת הקבצים כדי להעביר את החוטים מהפוטורזיסטור. התייחסתי לשלב האחרון הזה כאומנות יותר מאשר למדע, שכן המיקום המוקדם של כל רכיב במערכת ישפיע על המיקום של מחזיק הדגימה בתיבת התיקים. מקם את מחזיק הדגימה כך שתוכל ליישר את החריץ במחזיק הדגימה עם צבע אור בודד. לדוגמה, אתה יכול למקם את הארדואינו כך שאור כתום ואור ירוק יזרקו משני צידי החריץ בעוד שרק אור צהוב עובר דרך החריץ אל הפוטורזיסטור. לאחר שמצאת מיקום בו רק אור אחד של צבע עובר דרך החריץ במחזיק הדגימה, הזז את מחזיק הדגימה לרוחב כדי לזהות את המיקומים המתאימים לכל צבע אחר (זכור, ROYGBV). השתמש בעיפרון כדי לצייר קווים ישרים בחלק התחתון של מעטפת תיבת הקבצים כדי לסמן את המיקומים שבהם רק אור אחד מסוגל להגיע לפוטורזיסטור. הדבקתי שני בלוקים של ג'נגה מול ומחזיק הדגימה כדי לעזור לוודא שלא סטתי מהסימונים האלה בעת ביצוע קריאות.

שלב 13: בדוק את הספקטרופוטומטר הביתי שלך - צור ספקטרום

ביצעתי מספר בדיקות בעזרת הספקטרופוטומטר הביתי שלי. כמהנדס סביבה, אני מתעניין באיכות המים ולקחתי דגימות מים מנחל קטן ליד הבית שלי. בעת לקיחת דגימות, חשוב כי אתה משתמש במיכל נקי וכי אתה עומד מאחורי המיכל בזמן הדגימה. עמידה מאחורי המדגם (כלומר, במורד הזרם של נקודת האיסוף) מסייעת במניעת זיהום הדגימה שלך ומפחיתה את מידת הפעילות שלך בזרם משפיעה על המדגם. במדגם אחד (מדגם A) הוספתי כמות קטנה של Miracle-Gro (הכמות המתאימה לצמחים מקורה, בהתחשב בנפח הדגימה שלי), ובדגימה השנייה לא הוספתי דבר (דוגמה ב '). השארתי את הדגימות האלה לשבת בחדר מואר ללא המכסים כדי לאפשר פוטוסינתזה (שמירה על העפעפיים מותרת להחלפת גזים). כפי שאתה יכול לראות, בתמונות, הדגימה שהוספה עם Miracle-Gro הפכה לרוויה באצות אפלטוניות ירוקות, בעוד שהדגימה ללא Miracle-Gro לא חוותה צמיחה משמעותית לאחר כ -15 יום. לאחר שהוא היה רווי באצות, דיללתי חלק מדגימה A בצינורות חרוטים של 50 מ ל והשארתי אותם באותו חדר מואר ללא המכסים. כ -5 ימים לאחר מכן, כבר היו הבדלים ניכרים בצבעם, מה שמעיד על צמיחת אצות. שים לב שאחת מארבע הדילולים אבדה לצערנו בתהליך.

ישנם סוגים שונים של מיני אצות הגדלים במים מתוקים מזוהמים. צילמתי את האצות באמצעות מיקרוסקופ ומאמין שהן כלורוקוק או כלורלה. נראה כי קיים גם סוג אחד אחר של אצות. אנא יידע אותי אם אתה מסוגל לזהות מינים אלה!

לאחר גידול האצות במדגם A, לקחתי דגימה קטנה שלה והוספתי אותה למבחנה במד הספקטרופוטומטר הביתי. רשמתי את תפוקות ה- Arduino לכל צבע אור וקישרתי כל פלט את אורך הגל הממוצע של כל טווח צבעים. זה:

אור אדום = 685 ננומטר

אור כתום = 605 ננומטר

אור צהוב = 580 ננומטר

אור ירוק = 532.5 ננומטר

אור כחול = 472.5 ננומטר

אור סגול = 415 ננומטר

רשמתי גם את תפוקות הארדואינו לכל צבע אור כאשר הונחה דגימה של מי פארק פארק.

באמצעות חוק באר, חישבתי את ערך הספיגה של כל מדידה על ידי לקיחת הלוגריתם הבסיסי -10 של כמות ספיגת המים של דיפ פארק חלקי הספיגה מדגם A. העברתי את ערכי הספיגה כך שהספיגה של הערך הנמוך ביותר תהיה אפס, ושרטטתי את התוצאות. אתה יכול להשוות את התוצאות הללו לספקטרום הספיגה של פיגמנטים נפוצים (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The World of Algae. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) כדי לנסות לנחש את סוגי הפיגמנטים. הכלול במדגם האצות.

שלב 14: בדוק את הספקטרופוטומטר הביתי שלך - ניסוי חיטוי

בעזרת הספקטרופוטומטר הביתי שלכם תוכלו לבצע מגוון פעילויות שונות. כאן ערכתי ניסוי כדי לראות כיצד האצות מתפרקות כאשר הן נחשפות לריכוזים שונים של אקונומיקה. השתמשתי במוצר בעל ריכוז נתרן היפוכוריט (כלומר, אקונומיקה) של 2.40%. התחלתי בהוספת 50 מ"ל של מדגם A לצינורות חרוטים של 50 מ"ל. לאחר מכן הוספתי כמויות שונות של תמיסת האקונומיקה לדגימות ועשיתי מדידות באמצעות הספקטרופוטומטר. הוספת 4 מ"ל ו -2 מ"ל מתמיסת האקונומיקה לדגימות גרמה לכך שהדגימות התבהרו כמעט מיד, מה שמעיד על חיטוי כמעט מיידי והשבתת האצות. הוספת רק 1 מ"ל ו -0.5 מ"ל (בקירוב ב -15 טיפות מפיפטה) של תמיסת האקונומיקה לדגימות, אפשרה מספיק זמן לבצע מדידות באמצעות הספקטרופוטומטר הביתי וריקבון המודל כפונקציה של זמן. לפני כן, השתמשתי בהליך בשלב האחרון לבניית ספקטרום של תמיסת האקונומיקה וקבעתי כי אורך הגל של הפתרון באור אדום נמוך מספיק כדי שתהיה הפרעה מועטה בקירוב לביטול האצות באמצעות ספיגה באורכי הגל של האדום אוֹר. באור אדום, קריאת הרקע מהארדואינו הייתה 535 [-]. לקיחת מספר מדידות והחלת חוק באר אפשרה לי לבנות את שתי הקימורים המוצגים. שים לב שערכי הספיגה הועברו כך שהערך הנסגר הנמוך ביותר הוא 0.

אם זמין hemocytometer, ניתן להשתמש בניסויים עתידיים לפיתוח רגרסיה לינארית המתייחסת לספיגה לריכוז התא בדוגמה A. לאחר מכן ניתן להשתמש בקשר זה במשוואת ווטסון-קריק כדי לקבוע את ערך ה- CT להשבתת אצות באמצעות אקונומיקה..

שלב 15: טייק אוויי מפתחות

באמצעות פרויקט זה גידלתי את הידע שלי בעקרונות הבסיסיים לביולוגיה סביבתית ואקולוגיה. ניסוי זה אפשר לי להמשיך ולפתח את ההבנה שלי לגבי הצמיחה והקינטיקה של ריקבון פוטו -אוטוטרופים בסביבות מימיות. בנוסף, תרגלתי טכניקות בדגימה וניתוח סביבתי תוך למידה נוספת על המנגנונים המאפשרים כלים כמו ספקטרופוטומטרים לעבוד. בעת ניתוח דגימות מתחת למיקרוסקופ, למדתי יותר על המיקרו -סביבות של אורגניזמים והכרתי את המבנים הפיזיים של מינים בודדים.