Espectrofotòmetre de bloc Jenga casolà per a experiments amb algues: 15 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Les algues són protistes fotosintètics i, com a tals, són organismes crítics de les cadenes alimentàries aquàtiques. Tanmateix, durant els mesos de primavera i estiu, aquests i altres microorganismes poden multiplicar-se i aclaparar els recursos hídrics naturals, cosa que provoca l’esgotament de l’oxigen i la producció de substàncies tòxiques. Comprendre la velocitat amb què creixen aquests organismes pot ser útil per protegir els recursos hídrics i desenvolupar tecnologies que aprofitin el seu poder. A més, entendre la velocitat de desactivació d’aquests organismes pot ser útil en el tractament d’aigües i aigües residuals. En aquesta investigació, intentaré construir un espectrofotòmetre de baix cost per analitzar les taxes de desintegració dels organismes exposats al lleixiu de clor a l’aigua mostrejada de Park Creek a Horsham, Pennsilvània. Una mostra d’aigua de riera recollida del lloc es fertilitzarà amb una barreja de nutrients i es deixarà a la llum del sol per afavorir el creixement d’algues. L’espectrofotòmetre casolà permetrà que la llum a longituds d’ona discretes passi a través d’un vial de la mostra abans de ser detectada per un fotoresistor connectat a un circuit Arduino. A mesura que augmenta la densitat d’organismes de la mostra, s’espera que augmenti la quantitat de llum absorbida per la mostra. Aquest exercici posarà èmfasi en conceptes d'electrònica, òptica, biologia, ecologia i matemàtiques.

He desenvolupat la idea del meu espectrofotòmetre a partir de l’espectrofotòmetre instructiu “Student Spectrophotometer” de Satchelfrost i del document “A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrofhotometer” de Daniel R. Albert, Michael A. Todt i H. Floyd Davis.

Pas 1: creeu el vostre marc de camí de llum

El primer pas d’aquest Instructable és crear un marc de trajectòria lleugera a partir de sis blocs i cinta Jenga. El marc del recorregut de la llum s’utilitzarà per situar i donar suport a la font de llum, el dispositiu d’augment i la reixeta de difracció de CD. Creeu dues tires llargues gravant tres blocs Jenga en una línia com es mostra a la primera imatge. Enganxeu aquestes tires juntes com es mostra a la segona foto.

Pas 2: creeu una base per al dispositiu d'ampliació i poseu-la al marc del camí de llum

El dispositiu d'ampliació es fixarà al marc del recorregut de la llum i concentrarà la llum emesa pel LED abans de distraure's del CD. Enganxeu dos blocs Jenga de manera que la meitat d’un bloc estigui en angle recte amb el final d’un altre bloc, tal com es mostra a la primera imatge. Connecteu el dispositiu d’augment a aquesta base mitjançant cinta, tal com es mostra a la tercera imatge. Vaig utilitzar una lupa petita i econòmica que he tingut durant diversos anys. Després d’enganxar el dispositiu d’augment a la seva base, vaig gravar el dispositiu d’augment al marc del camí de la llum. Vaig situar el dispositiu d’augment a 13,5 cm de la vora del marc del recorregut de la llum, però és possible que hàgiu de fixar el dispositiu en una posició diferent en funció de la distància focal de la lupa.

Pas 3: creeu la vostra font de llum

Per limitar la quantitat de llum no concentrada que pot arribar a la reixeta de difracció de CD i al fotoresistor, he utilitzat cinta elèctrica per fixar una bombeta LED blanca dins d'un tap de ploma negre que tenia un petit forat a la part superior. La primera imatge mostra el LED, la segona imatge mostra el tap de la ploma LED. Vaig utilitzar petites peces de cinta elèctrica per evitar que la llum brillés des de la part posterior del LED on hi ha els cables de l’ànode i el càtode.

Després de crear el tap de la ploma LED, vaig connectar el LED a una resistència de 220 ohms i una font d'alimentació. Vaig connectar el LED a les connexions de terra i 5 V d’un microcontrolador Arduino Uno, però es podria utilitzar qualsevol font d’alimentació CC externa. La resistència és important per evitar que la llum LED es cremi.

Pas 4: assegureu la font de llum al marc del camí de llum

Enganxeu un altre bloc Jenga a prop del final del marc del camí de llum per proporcionar una plataforma per a la font de llum. A la meva configuració, el bloc Jenga que suportava la font de llum es va situar a uns 4 cm de la vora del marc del recorregut de la llum. Com es mostra a la segona imatge, la ubicació correcta de la font de llum és tal que el feix de llum es focalitza a través del dispositiu d’augment a l’extrem oposat del marc del recorregut de la llum on hi haurà la reixeta de difracció del CD.

Pas 5: col·loqueu el marc del recorregut de la llum, el dispositiu d’ampliació i la font de llum a la carcassa del quadre de fitxers

Utilitzeu una caixa de fitxers o un altre contenidor segellable amb els costats opacs com a carcassa per contenir cadascun dels components de l’espectrofotòmetre. Com es mostra a la figura, he utilitzat cinta per assegurar el marc del recorregut de la llum, el dispositiu d’augment i la font de llum a la carcassa de la caixa de fitxers. Vaig utilitzar un bloc Jenga per espaiar el marc del camí de llum a uns 2,5 cm de distància de la vora de la paret interior de la caixa de fitxers (el bloc Jenga es va utilitzar únicament per espaiar-se i posteriorment es va eliminar).

Pas 6: tallar i col·locar la reixa de la difracció del CD

Utilitzeu un ganivet o unes tisores per afegir un CD a un quadrat amb una cara reflectant i els costats aproximats de 2,5 cm de llarg. Feu servir cinta per connectar el CD al bloc Jenga. Juga amb el posicionament del bloc Jenga i la reixeta de difracció de CD per col·locar-lo de manera que projecti un arc de Sant Martí a la paret oposada de la carcassa de la caixa de fitxers quan hi toqui la llum de la font LED. Les imatges adjuntes mostren com he posicionat aquests components. És important que l'arc de Sant Martí projectat sigui relativament pla, tal com es mostra a l'última imatge. Un esbós de regle i llapis a l'interior de la paret de la caixa de fitxers pot ajudar a determinar quan la projecció és plana.

Pas 7: creeu el portamostres

Imprimiu el document adjunt i enganxeu o enganxeu el paper sobre un tros de cartró. Utilitzeu unes tisores o un ganivet hobby per tallar el cartró en forma de creu. Marqueu el cartró al llarg de les línies impreses al centre de la creu. A més, talla petites escletxes a altures iguals al mig de dos braços de la creu de cartró tal com es mostra; aquestes escletxes permetran que longituds d'ona discretes de llum passin per la mostra fins al fotoresistor. Vaig utilitzar cinta per fer el cartró més resistent. Doblegueu el cartró al llarg de les partitures i cinteu-lo de manera que es formi un porta-mostres rectangular. El suport de la mostra ha d’adaptar-se ben al voltant d’un tub d’assaig de vidre.

Pas 8: creeu i adjunteu una base per al suport de la mostra

Enganxeu tres blocs Jenga i fixeu el conjunt al suport de la mostra com es mostra. Assegureu-vos que l’adjunt és prou fort perquè el porta mostres de cartró no se separi de la base del bloc Jenga quan es treu el tub d’assaig del porta mostres.

Pas 9: afegiu el fotoresistor al portamostres

Els fotoresistors són fotoconductors i disminueixen la quantitat de resistència que proporcionen a mesura que augmenta la intensitat de la llum. Vaig gravar la fotoresistència en una carcassa petita de fusta, però no és necessària. Enganxeu la fotoresistència posterior de manera que la seva cara de detecció es col·loqui directament contra la ranura que heu tallat al porta-mostres. Proveu de col·locar el fotoresistor de manera que hi pugui la màxima llum possible després de passar per la mostra i les escletxes del suport de la mostra.

Pas 10: connecteu el fotoresistor

Per connectar la fotoresistència al circuit Arduino, primer vaig tallar i despullar els cables d’un antic cable de la impressora USB. Vaig gravar tres blocs junts com es mostra, i després vaig connectar els cables despullats a aquesta base. Fent servir dos empalmaments, vaig connectar els cables del cable de la impressora USB als terminals de la fotoresistència i vaig gravar les bases per formar una unitat (com es mostra a la quarta imatge). Es poden utilitzar cables llargs en lloc dels cables del cable de la impressora.

Connecteu un cable que emana del fotoresistor a la sortida de potència de 5V de l’Arduino. Connecteu l'altre cable del fotoresistor a un cable que condueix a un dels ports analògics de l'Arduino. A continuació, afegiu una resistència de 10 quilos-ohm en paral·lel i connecteu la resistència a la connexió de terra de l’Arduino. La darrera figura mostra conceptualment com es podrien fer aquestes connexions (abonament a circuit.io).

Pas 11: Connecteu tots els components a l'Arduino

Connecteu l'ordinador a l'Arduino i pengeu-hi el codi adjunt. Un cop hàgiu descarregat el codi, podeu ajustar-lo segons les vostres necessitats i preferències. Actualment, l’Arduino pren 125 mesures cada vegada que s’executa (també fa una mitjana d’aquestes mesures al final) i el seu senyal analògic porta a A2. A la part superior del codi, podeu canviar el nom de la mostra i la data de la mostra. Per veure els resultats, premeu el botó del monitor sèrie a la part superior dreta de la interfície de l'escriptori Arduino.

Tot i que és una mica desordenat, podeu veure com he acabat connectant cada component del circuit Arduino. He utilitzat dues taules de suport, però es pot fer fàcilment amb només una. A més, la meva font de llum LED està connectada a l'Arduino, però podeu utilitzar una font d'alimentació diferent si ho preferiu.

Pas 12: col·loqueu el suport de la mostra a la caixa del fitxer

El darrer pas per crear el vostre espectrofotòmetre casolà és col·locar el suport de la mostra a la carcassa de la caixa de fitxers. Vaig tallar una escletxa petita a la caixa de fitxers per passar els cables de la fotoresistència. Vaig tractar aquest darrer pas com un art més que una ciència, ja que la col·locació prèvia de cada component del sistema afectarà el posicionament del suport de la mostra a la caixa del fitxer. Col·loqueu el suport de la mostra de manera que pugueu alinear la ranura al porta-mostres amb un color de llum individual. Per exemple, podeu situar l'Arduino de manera que la llum taronja i la llum verda es projectin a banda i banda de la ranura mentre només la llum groga passa a través de la ranura al fotoresistor. Una vegada que hagueu trobat una ubicació on només hi hagi un color de llum a través de la ranura del suport de la mostra, moveu-lo lateralment per identificar les ubicacions corresponents per a cada altre color (recordeu, ROYGBV). Utilitzeu un llapis per dibuixar línies rectes al llarg de la part inferior de la caixa del fitxer per marcar les ubicacions on només un color de llum pot arribar al fotoresistor. Vaig gravar dos blocs Jenga davant i darrere del suport de la mostra per ajudar-me a assegurar-me que no em desviava d’aquestes marques quan feia lectures.

Pas 13: proveu el vostre espectrofotòmetre casolà: creeu un espectre

Vaig fer diverses proves amb el meu espectrofotòmetre casolà. Com a enginyer mediambiental, estic interessat en la qualitat de l’aigua i vaig agafar mostres d’aigua d’un petit rierol de casa meva. Quan es prenen mostres, és important que utilitzeu un contenidor net i que us quedeu darrere del contenidor mentre feu el mostreig. Situar-se darrere de la mostra (és a dir, aigües avall del punt de recollida) ajuda a prevenir la contaminació de la mostra i redueix el grau que la vostra activitat al flux afecta a la mostra. En una mostra (mostra A), he afegit una petita quantitat de Miracle-Gro (la quantitat adequada per a plantes d’interior, donat el meu volum de mostra), i en l’altra mostra no he afegit res (mostra B). Vaig deixar aquestes mostres assegudes en una habitació ben il·luminada sense les tapes per permetre la fotosíntesi (mantenint les tapes apagades permeses per a l’intercanvi de gasos). Com podeu veure, a les imatges, la mostra que es va complementar amb Miracle-Gro es va saturar d’algues platòniques verdes, mentre que la mostra sense Miracle-Gro no va experimentar cap creixement significatiu al cap d’uns 15 dies. Després de saturar-lo amb algues, vaig diluir part de la mostra A en tubs cònics de 50 ml i els vaig deixar a la mateixa habitació ben il·luminada sense les tapes. Aproximadament 5 dies després, ja hi havia diferències notables en el seu color, que indicaven el creixement d'algues. Tingueu en compte que malauradament es va perdre una de les quatre dilucions en el procés.

Hi ha diversos tipus d’espècies d’algues que creixen en aigües dolces contaminades. Vaig fer fotos de les algues amb un microscopi i crec que són clorococs o clorella. Sembla que també hi ha almenys una altra espècie d’algues. Feu-me saber si podeu identificar aquestes espècies.

Després de cultivar les algues a la mostra A, en vaig prendre una petita mostra i la vaig afegir a la proveta de l’espectrofotòmetre casolà. Vaig gravar les sortides d'Arduino per a cada color de llum i vaig associar cada sortida a la longitud d'ona mitjana de cada gamma de colors. Això és:

Llum vermella = 685 nm

Llum taronja = 605 nm

Llum groga = 580 nm

Llum verda = 532,5 nm

Llum blava = 472,5 nm

Llum violeta = 415 nm

També vaig enregistrar les sortides d’Arduino per a cada color de llum quan es va col·locar una mostra d’aigua de Deer Park al suport de la mostra.

Utilitzant la llei de Beer, vaig calcular el valor d’absorbància de cada mesura prenent el logaritme de base 10 del quocient de l’absorbància d’aigua Deep Park dividit per l’absorbància de la mostra A. Vaig canviar els valors d'absorbància de manera que l'absorbància del valor més baix fos zero i vaig representar els resultats. Podeu comparar aquests resultats amb l’espectre d’absorbància dels pigments comuns (Sahoo, D. i Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) Per intentar endevinar els tipus de pigments. contingut a la mostra d'algues.

Pas 14: proveu el vostre espectrofotòmetre casolà: experiment de desinfecció

Amb el vostre espectrofotòmetre casolà podeu realitzar diverses activitats. Aquí vaig realitzar un experiment per veure com les algues es decauen quan s’exposen a diferents concentracions de lleixiu. He utilitzat un producte amb una concentració d’hipoclorit sòdic (és a dir, lleixiu) del 2,40%. Vaig començar afegint 50 ml de mostra A a tubs cònics de 50 ml. Després vaig afegir diferents quantitats de solució de lleixiu a les mostres i vaig prendre mesures amb l’espectrofotòmetre. Afegir 4 mL i 2 mL de la solució de lleixiu a les mostres va provocar que les mostres quedessin clares gairebé immediatament, cosa que indica una desinfecció i desactivació gairebé immediata de les algues. Afegint només 1 ml i 0,5 ml (aproximadament 15 gotes d’una pipeta) de la solució de lleixiu a les mostres, es va permetre el temps suficient per prendre mesures mitjançant l’espectrofotòmetre casolà i la decadència del model en funció del temps. Abans de fer-ho, havia utilitzat el procediment en l'últim pas per construir un espectre per a la solució de lleixiu i vaig determinar que la longitud d'ona de la solució a la llum vermella era prou baixa com perquè hi hagués poca interferència amb la desactivació d'algues aproximada mitjançant l'absorbància a les longituds d'ona del vermell. lleuger. Amb llum vermella, la lectura de fons de l’Arduino era de 535 [-]. Prendre diverses mesures i aplicar la llei de Beer em va permetre construir les dues corbes mostrades. Tingueu en compte que els valors d’absorbància es van canviar de manera que el valor absorbit més baix sigui 0.

Si es disposa d’un hemocitòmetre, es podrien utilitzar futurs experiments per desenvolupar una regressió lineal que relacioni l’absorbància amb la concentració cel·lular de la mostra A. Aquesta relació es podria utilitzar a l’equació de Watson-Crick per determinar el valor CT per a la desactivació d’algues mitjançant lleixiu..

Pas 15: clau per emportar

A través d’aquest projecte, vaig ampliar el coneixement dels principis fonamentals de la biologia i l’ecologia del medi ambient. Aquest experiment em va permetre aprofundir en la comprensió de la cinètica de creixement i desintegració dels fotoautòtrofs en entorns aquàtics. A més, vaig practicar tècniques de mostreig i anàlisi ambiental mentre aprenia més sobre els mecanismes que permeten treballar eines com els espectrofotòmetres. Mentre analitzava mostres al microscopi, vaig aprendre més sobre els microambients dels organismes i em vaig familiaritzar amb les estructures físiques de les espècies individuals.