Selbstgemachtes Jenga Block-Spektrophotometer für Algenexperimente - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Algen sind photosynthetische Protisten und als solche kritische Organismen in aquatischen Nahrungsketten. In den Frühlings- und Sommermonaten können sich diese und andere Mikroorganismen jedoch vermehren und die natürlichen Wasserressourcen überfordern, was zu Sauerstoffmangel und zur Produktion von Giftstoffen führt. Das Verständnis der Wachstumsrate dieser Organismen kann beim Schutz der Wasserressourcen sowie bei der Entwicklung von Technologien, die ihre Kraft nutzen, nützlich sein. Darüber hinaus kann das Verständnis der Geschwindigkeit, mit der diese Organismen deaktiviert werden, bei der Wasser- und Abwasserbehandlung hilfreich sein. In dieser Untersuchung werde ich versuchen, ein kostengünstiges Spektrophotometer zu bauen, um die Zerfallsraten von Organismen zu analysieren, die Chlorbleiche in Wasser aus Park Creek in Horsham, Pennsylvania, ausgesetzt wurden. Eine vom Standort gesammelte Bachwasserprobe wird mit einer Nährstoffmischung gedüngt und im Sonnenlicht belassen, um das Algenwachstum zu fördern. Das selbstgebaute Spektrophotometer lässt Licht mit diskreten Wellenlängen durch ein Fläschchen der Probe passieren, bevor es von einem an eine Arduino-Schaltung angeschlossenen Fotowiderstand erfasst wird. Wenn die Dichte der Organismen in der Probe zunimmt, wird erwartet, dass die von der Probe absorbierte Lichtmenge zunimmt. Diese Übung wird Konzepte in Elektronik, Optik, Biologie, Ökologie und Mathematik betonen.

Ich habe die Idee für mein Spektrophotometer aus dem Instructable „Student Spectrophotometer“von Satchelfrost und dem Papier „A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer“von Daniel R. Albert, Michael A. Todt und H. Floyd Davis entwickelt.

Schritt 1: Erstellen Sie Ihren Lichtpfadrahmen

Der erste Schritt in diesem Instructable besteht darin, einen Lichtpfadrahmen aus sechs Jenga-Blöcken und Klebeband zu erstellen. Der Lichtwegrahmen wird verwendet, um die Lichtquelle, das Vergrößerungsgerät und das CD-Beugungsgitter zu positionieren und zu tragen. Erstellen Sie zwei lange Streifen, indem Sie drei Jenga-Blöcke in einer Linie zusammenkleben, wie im ersten Bild gezeigt. Kleben Sie diese Streifen zusammen, wie auf dem zweiten Foto gezeigt.

Schritt 2: Erstellen Sie eine Basis für Ihr Vergrößerungsgerät und befestigen Sie sie am Lichtwegrahmen

Die Vergrößerungsvorrichtung wird am Lichtwegrahmen befestigt und konzentriert das von der LED emittierte Licht, bevor es von der CD abgelenkt wird. Kleben Sie zwei Jenga-Blöcke so zusammen, dass die Mitte eines Blocks im rechten Winkel zum Ende eines anderen Blocks steht, wie im ersten Bild gezeigt. Befestigen Sie das Vergrößerungsgerät mit Klebeband an dieser Basis, wie im dritten Bild gezeigt. Ich benutzte eine kleine, preiswerte Lupe, die ich seit mehreren Jahren besitze. Nachdem ich das Vergrößerungsgerät an seiner Basis befestigt hatte, klebte ich das Vergrößerungsgerät an den Lichtwegrahmen. Ich habe mein Vergrößerungsgerät 13,5 cm vom Rand des Lichtwegrahmens entfernt positioniert, aber Sie müssen Ihr Gerät möglicherweise je nach Brennweite der Lupe an einer anderen Position befestigen.

Schritt 3: Erstellen Sie Ihre Lichtquelle

Um die Menge an nicht konzentriertem Licht zu begrenzen, die das CD-Beugungsgitter und den Fotowiderstand erreichen kann, habe ich mit Isolierband eine weiße LED-Lampe in einer schwarzen Stiftkappe mit einem kleinen Loch oben befestigt. Das erste Bild zeigt die LED, das zweite Bild zeigt die mit Klebeband versehene LED-Stiftkappe. Ich habe kleine Stücke Isolierband verwendet, um zu verhindern, dass Licht von der Rückseite der LED scheint, wo sich die Anoden- und Kathodendrähte befinden.

Nachdem ich die LED-Stiftkappe erstellt hatte, befestigte ich die LED an einem 220-Ohm-Widerstand und einer Stromquelle. Ich habe die LED mit den 5V- und Masseanschlüssen eines Arduino Uno-Mikrocontrollers verdrahtet, aber jede externe Gleichstromquelle könnte verwendet werden. Der Widerstand ist wichtig, um zu verhindern, dass das LED-Licht durchbrennt.

Schritt 4: Befestigen Sie die Lichtquelle am Lichtpfadrahmen

Kleben Sie einen weiteren Jenga-Block in der Nähe des Endes des Lichtpfadrahmens auf, um eine Plattform für die Lichtquelle bereitzustellen. In meinem Setup wurde der Jenga-Block, der die Lichtquelle trägt, ca. 4 cm vom Rand des Lichtwegrahmens entfernt positioniert. Wie im zweiten Bild gezeigt, ist die korrekte Platzierung der Lichtquelle so, dass der Lichtstrahl durch die Vergrößerungsvorrichtung am gegenüberliegenden Ende des Lichtwegrahmens fokussiert wird, wo das CD-Beugungsgitter sein wird.

Schritt 5: Platzieren Sie den Lichtpfadrahmen, das Vergrößerungsgerät und die Lichtquelle im Dateiboxgehäuse

Verwenden Sie eine Aktenbox oder einen anderen verschließbaren Behälter mit lichtundurchlässigen Seiten als Hülle, um jede der Komponenten des Spektralfotometers aufzunehmen. Wie in der Abbildung gezeigt, habe ich den Lichtwegrahmen, das Vergrößerungsgerät und die Lichtquelle mit Klebeband im Gehäuse der Aktenbox befestigt. Ich habe einen Jenga-Block verwendet, um den Lichtpfadrahmen ungefähr 2,5 cm von der Kante der Innenwand der Aktenbox entfernt zu platzieren (der Jenga-Block wurde nur zum Abstand verwendet und später entfernt).

Schritt 6: Schneiden und positionieren Sie das CD-Beugungsgitter

Schneiden Sie eine CD mit einem Hobbymesser oder einer Schere in ein Quadrat mit einer reflektierenden Vorderseite und einer Seitenlänge von ca. 2,5 cm. Verwenden Sie Klebeband, um die CD am Jenga-Block zu befestigen. Spielen Sie mit der Positionierung des Jenga-Blocks und des CD-Beugungsgitters, um es so zu positionieren, dass es einen Regenbogen auf die gegenüberliegende Wand des Aktenkastengehäuses projiziert, wenn Licht von der LED-Quelle darauf trifft. Die beigefügten Bilder zeigen, wie ich diese Komponenten positioniert habe. Es ist wichtig, dass der projizierte Regenbogen relativ eben ist, wie im letzten Bild gezeigt. Eine Lineal- und Bleistiftskizze an der Innenseite der Wand des Aktenkastens kann helfen, festzustellen, wann die Projektion waagerecht ist.

Schritt 7: Erstellen Sie den Probenhalter

Drucken Sie das beigefügte Dokument aus und kleben oder kleben Sie das Papier auf ein Stück Pappe. Schneide den Karton mit einer Schere oder einem Hobbymesser kreuzförmig zu. Ritzen Sie den Karton entlang der aufgedruckten Linien in der Mitte des Kreuzes. Schneiden Sie zusätzlich in der Mitte der beiden Arme des Pappkreuzes kleine Schlitze in gleicher Höhe wie abgebildet; diese Schlitze ermöglichen es diskreten Lichtwellenlängen, durch die Probe zum Photowiderstand zu gelangen. Ich benutzte Klebeband, um den Karton stabiler zu machen. Falten Sie den Karton entlang der Kerben und kleben Sie ihn so, dass ein rechteckiger Probenhalter entsteht. Der Probenhalter sollte fest um ein Glasröhrchen passen.

Schritt 8: Erstellen und befestigen Sie eine Basis für den Probenhalter

Kleben Sie drei Jenga-Blöcke zusammen und befestigen Sie die Baugruppe wie abgebildet am Probenhalter. Stellen Sie sicher, dass die Befestigung stark genug ist, damit sich der Probenhalter aus Karton nicht vom Jenga-Blockboden löst, wenn das Reagenzglas aus dem Probenhalter gezogen wird.

Schritt 9: Fügen Sie den Fotowiderstand zum Probenhalter hinzu

Fotowiderstände sind fotoleitfähig und verringern den Widerstand, den sie bieten, wenn die Lichtintensität zunimmt. Ich habe den Fotowiderstand in ein kleines Holzgehäuse geklebt, aber das Gehäuse ist nicht notwendig. Kleben Sie den rückseitigen Fotowiderstand mit Klebeband so, dass seine aktive Fläche direkt am Schlitz liegt, den Sie in den Probenhalter geschnitten haben. Versuchen Sie, den Fotowiderstand so zu positionieren, dass nach dem Durchgang durch die Probe und die Schlitze des Probenhalters möglichst viel Licht auf ihn trifft.

Schritt 10: Verdrahten Sie den Fotowiderstand

Um den Fotowiderstand in der Arduino-Schaltung zu verdrahten, habe ich zuerst die Drähte eines alten USB-Druckerkabels geschnitten und abisoliert. Ich klebte drei Blöcke wie gezeigt zusammen und befestigte dann die abisolierten Drähte an dieser Basis. Mit zwei Stumpfspleißungen habe ich die USB-Druckerkabeldrähte an die Anschlüsse des Fotowiderstands angeschlossen und die Basen zu einer Einheit zusammengeklebt (wie im vierten Bild gezeigt). Anstelle der Drähte des Druckerkabels können beliebige lange Drähte verwendet werden.

Verbinden Sie einen Draht, der vom Fotowiderstand ausgeht, mit dem 5-V-Ausgang des Arduino. Verbinden Sie das andere Kabel vom Fotowiderstand mit einem Kabel, das zu einem der analogen Eingänge des Arduino führt. Fügen Sie dann einen 10-Kilo-Ohm-Widerstand parallel hinzu und verbinden Sie den Widerstand mit dem Masseanschluss des Arduino. Die letzte Abbildung zeigt konzeptionell, wie diese Verbindungen hergestellt werden könnten (Angabe an Circuit.io).

Schritt 11: Verbinden Sie alle Komponenten mit dem Arduino

Verbinden Sie Ihren Computer mit dem Arduino und laden Sie den beigefügten Code hoch. Nachdem Sie den Code heruntergeladen haben, können Sie ihn an Ihre Bedürfnisse und Vorlieben anpassen. Derzeit nimmt der Arduino bei jeder Ausführung 125 Messungen vor (er mittelt diese Messungen auch am Ende), und sein analoges Eingangssignal führt zu A2. Oben im Code können Sie den Namen Ihrer Probe und das Probendatum ändern. Um die Ergebnisse anzuzeigen, drücken Sie die Taste für den seriellen Monitor oben rechts auf der Arduino-Desktop-Oberfläche.

Obwohl es ein bisschen chaotisch ist, können Sie sehen, wie ich jede Komponente der Arduino-Schaltung angeschlossen habe. Ich habe zwei Steckbretter verwendet, aber Sie könnten leicht mit nur einem auskommen. Außerdem ist meine LED-Lichtquelle mit dem Arduino verbunden, Sie können jedoch ein anderes Netzteil dafür verwenden, wenn Sie möchten.

Schritt 12: Legen Sie Ihren Probenhalter in das Dateiboxgehäuse

Der letzte Schritt beim Erstellen Ihres selbstgebauten Spektralfotometers besteht darin, den Probenhalter in das Gehäuse der Dateibox zu legen. Ich schneide einen kleinen Schlitz in die Dateibox, um die Drähte vom Fotowiderstand hindurch zu führen. Ich betrachtete diesen letzten Schritt eher als Kunst denn als Wissenschaft, da die vorherige Platzierung jeder Komponente des Systems die Positionierung des Probenhalters im Aktenfachgehäuse beeinflusst. Positionieren Sie den Probenhalter so, dass Sie den Schlitz im Probenhalter auf eine individuelle Lichtfarbe ausrichten können. Zum Beispiel können Sie das Arduino so positionieren, dass oranges Licht und grünes Licht auf beide Seiten des Schlitzes projiziert werden, während nur gelbes Licht durch den Schlitz zum Fotowiderstand gelangt. Sobald Sie eine Stelle gefunden haben, an der nur eine Farbe für Licht durch den Schlitz im Probenhalter fällt, bewegen Sie den Probenhalter seitlich, um die entsprechenden Stellen für jede andere Farbe zu identifizieren (denken Sie daran, ROYGBV). Zeichnen Sie mit einem Bleistift gerade Linien entlang des Bodens der Aktenbox, um die Stellen zu markieren, an denen nur eine Lichtfarbe den Fotowiderstand erreichen kann. Ich klebte zwei Jenga-Blöcke vor und hinter dem Probenhalter fest, um sicherzustellen, dass ich beim Ablesen nicht von diesen Markierungen abwich.

Schritt 13: Testen Sie Ihr hausgemachtes Spektralfotometer - Erstellen Sie ein Spektrum

Ich habe mehrere Tests mit meinem selbstgebauten Spektralfotometer durchgeführt. Als Umweltingenieur interessiere ich mich für die Wasserqualität und habe Wasserproben aus einem kleinen Bach bei meinem Haus genommen. Bei der Probennahme ist es wichtig, dass Sie einen sauberen Behälter verwenden und während der Probenahme hinter dem Behälter stehen. Das Stehen hinter der Probe (d. h. stromabwärts der Sammelstelle) hilft, eine Kontamination Ihrer Probe zu vermeiden und verringert den Grad, in dem Ihre Aktivität im Strom die Probe beeinflusst. In einer Probe (Probe A) habe ich eine kleine Menge Miracle-Gro hinzugefügt (die Menge, die für Zimmerpflanzen angemessen ist, angesichts meines Probenvolumens), und in der anderen Probe habe ich nichts hinzugefügt (Probe B). Ich ließ diese Proben in einem gut beleuchteten Raum ohne ihre Deckel sitzen, um die Photosynthese zu ermöglichen (die Deckel bleiben für den Gasaustausch offen). Wie Sie auf den Bildern sehen können, war die Probe, die mit Miracle-Gro ergänzt wurde, mit platonischen Grünalgen gesättigt, während die Probe ohne Miracle-Gro nach etwa 15 Tagen kein signifikantes Wachstum aufwies. Nachdem es mit Algen gesättigt war, verdünnte ich etwas von Probe A in konischen 50-ml-Röhrchen und ließ sie ohne Deckel im gleichen gut beleuchteten Raum. Etwa 5 Tage später zeigten sich bereits deutliche Farbunterschiede, die auf Algenwachstum hindeuten. Beachten Sie, dass dabei leider eine der vier Verdünnungen verloren ging.

Es gibt verschiedene Arten von Algenarten, die in verschmutzten Süßwassern wachsen. Ich habe die Algen mit einem Mikroskop fotografiert und glaube, dass es sich entweder um Chlorococcum oder Chlorella handelt. Mindestens eine weitere Algenart scheint ebenfalls vorhanden zu sein. Bitte lassen Sie es mich wissen, wenn Sie diese Arten identifizieren können!

Nachdem ich die Algen in Probe A gezüchtet hatte, nahm ich eine kleine Probe davon und fügte sie in das Reagenzglas des selbstgebauten Spektralfotometers hinzu. Ich habe die Ausgaben des Arduino für jede Lichtfarbe aufgezeichnet und jede Ausgabe mit der durchschnittlichen Wellenlänge jedes Farbbereichs verknüpft. Das ist:

Rotes Licht = 685 nm

Oranges Licht = 605 nm

Gelbes Licht = 580 nm

Grünes Licht = 532,5 nm

Blaues Licht = 472,5 nm

Violettes Licht = 415 nm

Ich habe auch die Ausgänge des Arduino für jede Lichtfarbe aufgezeichnet, als eine Probe von Deer Park-Wasser in den Probenhalter gelegt wurde.

Unter Verwendung des Beerschen Gesetzes habe ich den Absorptionswert für jede Messung berechnet, indem ich den Logarithmus zur Basis 10 des Quotienten der Deep Park-Wasserabsorption geteilt durch die Absorption der Probe A genommen habe. Ich habe die Extinktionswerte so verschoben, dass die Extinktion des niedrigsten Wertes Null war, und die Ergebnisse grafisch dargestellt. Sie können diese Ergebnisse mit dem Absorptionsspektrum gängiger Pigmente vergleichen (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.), um die Pigmenttypen zu erraten in der Algenprobe enthalten.

Schritt 14: Testen Sie Ihr hausgemachtes Spektralfotometer - Desinfektionsexperiment

Mit Ihrem selbstgebauten Spektralfotometer können Sie eine Vielzahl von verschiedenen Aktivitäten durchführen. Hier habe ich ein Experiment durchgeführt, um zu sehen, wie die Algen zerfallen, wenn sie verschiedenen Bleichmittelkonzentrationen ausgesetzt sind. Ich habe ein Produkt mit einer Natriumhypochlorit- (d. h. Bleichmittel-) Konzentration von 2,40% verwendet. Ich begann mit der Zugabe von 50 ml Probe A in konische 50 ml-Röhrchen. Ich habe dann den Proben unterschiedliche Mengen der Bleichlösung zugesetzt und mit dem Spektralphotometer gemessen. Die Zugabe von 4 ml und 2 ml der Bleichlösung zu den Proben führte dazu, dass die Proben fast sofort klar wurden, was auf eine fast sofortige Desinfektion und Deaktivierung der Algen hinweist. Die Zugabe von nur 1 ml und 0,5 ml (ungefähr 15 Tropfen aus einer Pipette) der Bleichlösung zu den Proben ermöglichte genügend Zeit, um Messungen mit dem selbstgebauten Spektrophotometer durchzuführen und den Zerfall als Funktion der Zeit zu modellieren. Zuvor hatte ich das Verfahren im letzten Schritt verwendet, um ein Spektrum für die Bleichlösung zu konstruieren, und festgestellt, dass die Wellenlänge der Lösung bei rotem Licht niedrig genug war, um eine annähernde Algendeaktivierung unter Verwendung der Absorption bei den Wellenlängen von rot. kaum zu stören hell. Bei Rotlicht betrug der Hintergrundwert des Arduino 535 [-]. Durch mehrere Messungen und die Anwendung des Beerschen Gesetzes konnte ich die beiden gezeigten Kurven konstruieren. Beachten Sie, dass die Extinktionswerte verschoben wurden, sodass der niedrigste absorbierte Wert 0 ist.

Wenn ein Hämozytometer verfügbar ist, könnten zukünftige Experimente verwendet werden, um eine lineare Regression zu entwickeln, die die Absorption mit der Zellkonzentration in Probe A in Beziehung setzt. Diese Beziehung könnte dann in der Watson-Crick-Gleichung verwendet werden, um den CT-Wert für die Deaktivierung von Algen mit Bleichmittel zu bestimmen.

Schritt 15: Schlüssel zum Mitnehmen

Durch dieses Projekt habe ich mein Wissen über grundlegende Prinzipien der Umweltbiologie und -ökologie erweitert. Dieses Experiment ermöglichte es mir, mein Verständnis der Wachstums- und Zerfallskinetik von Photoautotrophen in aquatischen Umgebungen weiterzuentwickeln. Darüber hinaus übte ich Techniken der Umweltprobennahme und -analyse und lernte mehr über die Mechanismen, die es Werkzeugen wie Spektralfotometern ermöglichen, zu arbeiten. Bei der Analyse von Proben unter dem Mikroskop erfuhr ich mehr über die Mikroumgebungen von Organismen und lernte die physikalischen Strukturen einzelner Arten kennen.