Máy đo quang phổ khối Jenga tự chế cho thí nghiệm tảo: 15 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Tảo là sinh vật nguyên sinh quang hợp và như vậy, là sinh vật quan trọng trong chuỗi thức ăn thủy sản. Tuy nhiên, trong những tháng mùa xuân và mùa hè, những loài này và các vi sinh vật khác có thể sinh sôi và lấn át các nguồn nước tự nhiên, dẫn đến suy giảm oxy và sản sinh ra các chất độc hại. Hiểu được tốc độ phát triển của các sinh vật này có thể hữu ích trong việc bảo vệ tài nguyên nước cũng như phát triển các công nghệ khai thác sức mạnh của chúng. Ngoài ra, hiểu được tốc độ vô hiệu hóa các sinh vật này có thể hữu ích trong việc xử lý nước và nước thải. Trong cuộc điều tra này, tôi sẽ cố gắng chế tạo một máy quang phổ chi phí thấp để phân tích tốc độ phân hủy của các sinh vật tiếp xúc với thuốc tẩy clo trong nước lấy mẫu từ Park Creek ở Horsham, Pennsylvania. Một mẫu nước lạch được lấy từ địa điểm sẽ được bón một hỗn hợp dinh dưỡng và để dưới ánh sáng mặt trời để thúc đẩy sự phát triển của tảo. Máy quang phổ tự chế sẽ cho phép ánh sáng ở các bước sóng rời rạc đi qua lọ mẫu trước khi được phát hiện bởi điện trở quang kết nối với mạch Arduino. Khi mật độ của các sinh vật trong mẫu tăng lên, lượng ánh sáng được hấp thụ bởi mẫu dự kiến sẽ tăng lên. Bài tập này sẽ nhấn mạnh các khái niệm về điện tử, quang học, sinh học, sinh thái học và toán học.

Tôi đã phát triển ý tưởng cho máy quang phổ của mình từ “Máy quang phổ dành cho học sinh” của Satchelfrost và bài báo “Máy quang phổ hấp thụ định lượng chi phí thấp” của Daniel R. Albert, Michael A. Todt, và H. Floyd Davis.

Bước 1: Tạo khung đường dẫn ánh sáng của bạn

Bước đầu tiên trong Có thể hướng dẫn này là tạo một khung đường dẫn ánh sáng từ sáu khối Jenga và băng. Khung đường dẫn ánh sáng sẽ được sử dụng để định vị và hỗ trợ nguồn sáng, thiết bị phóng đại và cách tử nhiễu xạ CD. Tạo hai dải dài bằng cách dán ba khối Jenga thành một đường như trong hình đầu tiên. Dán các dải này lại với nhau như trong hình thứ hai.

Bước 2: Tạo đế cho thiết bị phóng đại của bạn và gắn nó vào khung đường dẫn ánh sáng

Thiết bị phóng đại sẽ được gắn vào khung đường dẫn ánh sáng và tập trung ánh sáng phát ra từ đèn LED trước khi khuếch tán ra khỏi đĩa CD. Dán hai khối Jenga lại với nhau sao cho phần giữa của khối này nằm ở góc vuông với phần cuối của khối khác như trong hình đầu tiên. Gắn thiết bị phóng đại vào đế này bằng băng dính như trong hình thứ ba. Tôi đã sử dụng một chiếc kính lúp nhỏ, rẻ tiền mà tôi đã có trong vài năm. Sau khi gắn thiết bị phóng đại vào đế của nó, tôi dán thiết bị phóng đại vào khung đường dẫn ánh sáng. Tôi đã đặt thiết bị phóng đại của mình cách 13,5 cm so với mép của khung đường dẫn ánh sáng, nhưng bạn có thể cần cố định thiết bị của mình ở một vị trí khác tùy thuộc vào tiêu cự của kính lúp.

Bước 3: Tạo nguồn sáng của bạn

Để hạn chế lượng ánh sáng không tập trung có thể tiếp cận với cách tử nhiễu xạ CD và điện trở quang, tôi đã dùng băng dính điện để cố định một bóng đèn LED màu trắng bên trong nắp bút màu đen có một lỗ nhỏ trên đỉnh. Hình ảnh đầu tiên hiển thị đèn LED, hình ảnh thứ hai hiển thị nắp bút LED được dán. Tôi đã sử dụng những miếng băng dính điện nhỏ để ngăn ánh sáng chiếu từ mặt sau của đèn LED, nơi có dây cực dương và cực âm.

Sau khi tạo nắp bút LED, tôi đã gắn đèn LED vào nguồn điện và điện trở 220 ohm. Tôi đã nối dây đèn LED với kết nối đất và 5V của vi điều khiển Arduino Uno, nhưng có thể sử dụng bất kỳ nguồn điện DC bên ngoài nào. Điện trở rất quan trọng để ngăn chặn ánh sáng LED bị cháy.

Bước 4: Bảo vệ nguồn sáng cho khung đường dẫn ánh sáng

Băng một khối Jenga khác gần cuối khung đường dẫn ánh sáng để tạo nền cho nguồn sáng. Trong thiết lập của tôi, khối Jenga hỗ trợ nguồn sáng được đặt cách mép của khung đường dẫn ánh sáng khoảng 4 cm. Như trong hình thứ hai, vị trí chính xác của nguồn sáng sao cho chùm sáng hội tụ qua thiết bị phóng đại ở đầu đối diện của khung đường truyền ánh sáng, nơi sẽ có cách tử nhiễu xạ CD.

Bước 5: Đặt Khung đường dẫn ánh sáng, Thiết bị phóng đại và Nguồn sáng vào Vỏ hộp tệp

Sử dụng hộp đựng hồ sơ hoặc hộp đựng có thể bịt kín khác có các mặt mờ đục làm vỏ bọc để giữ từng bộ phận của máy quang phổ. Như trong hình, tôi đã sử dụng băng dính để cố định khung đường dẫn ánh sáng, thiết bị phóng đại và nguồn sáng trong vỏ hộp tập tin. Tôi đã sử dụng một khối Jenga để tạo khoảng trống cho khung đường dẫn ánh sáng cách mép của bức tường bên trong hộp tài liệu khoảng 2,5 cm (khối Jenga chỉ được sử dụng để tạo khoảng cách và sau đó đã bị loại bỏ).

Bước 6: Cắt và định vị lưới nhiễu xạ CD

Dùng dao hoặc kéo cắt đĩa CD thành hình vuông có mặt phản chiếu và các cạnh dài khoảng 2,5 cm. Dùng băng dính để gắn đĩa CD vào khối Jenga. Chơi với vị trí của khối Jenga và cách tử nhiễu xạ CD để định vị nó sao cho nó chiếu cầu vồng lên bức tường đối diện của vỏ hộp tập tin khi ánh sáng từ nguồn LED chiếu vào nó. Các hình ảnh đính kèm cho thấy cách tôi định vị các thành phần này. Điều quan trọng là cầu vồng được chiếu tương đối bằng như trong hình cuối cùng. Một bản phác thảo bằng thước và bút chì ở bên trong thành hộp tài liệu có thể giúp xác định khi nào hình chiếu bằng phẳng.

Bước 7: Tạo Bộ giữ mẫu

In tài liệu đính kèm và dán băng dính hoặc dán giấy lên một miếng bìa cứng. Dùng kéo hoặc dao theo sở thích để cắt bìa cứng thành hình chữ thập. Điểm các tông dọc theo các đường in ở tâm của thập tự giá. Ngoài ra, cắt các khe nhỏ có chiều cao bằng nhau ở giữa hai cánh tay của thánh giá bìa cứng như hình minh họa; các khe này sẽ cho phép các bước sóng ánh sáng rời rạc truyền qua mẫu đến điện trở quang. Tôi đã dùng băng dính để giúp bìa cứng chắc hơn. Gấp các tông dọc theo các điểm và dán nó lại để tạo thành một ngăn chứa mẫu hình chữ nhật. Giá đỡ mẫu phải vừa khít với ống nghiệm thủy tinh.

Bước 8: Tạo và gắn đế cho giá đỡ mẫu

Dán băng dính ba khối Jenga lại với nhau và gắn cụm vào giá đỡ mẫu như hình minh họa. Đảm bảo phần đính kèm đủ chắc chắn để ngăn chứa mẫu bằng bìa cứng không tách khỏi đế khối Jenga khi ống nghiệm được kéo ra khỏi ngăn chứa mẫu.

Bước 9: Thêm Điện trở quang vào Giá đỡ mẫu

Các quang trở có tính dẫn quang và giảm lượng điện trở mà chúng cung cấp khi cường độ ánh sáng tăng lên. Tôi đã dán điện trở quang vào một vỏ gỗ nhỏ, nhưng không cần thiết. Dán băng keo quang điện trở lại sao cho mặt cảm biến của nó được định vị trực tiếp vào khe mà bạn đã cắt trong giá đỡ mẫu. Cố gắng định vị điện trở quang sao cho càng nhiều ánh sáng càng tốt chiếu vào nó sau khi đi qua mẫu và các khe của bộ giữ mẫu.

Bước 10: Nối dây cho Điện trở quang

Để nối dây điện trở quang trong mạch Arduino, trước tiên tôi cắt và tước dây của cáp máy in USB cũ. Tôi dán ba khối lại với nhau như hình minh họa, sau đó gắn các dây đã tước vào phần đế này. Sử dụng hai mối nối đối đầu, tôi kết nối dây cáp máy in USB với các đầu cực của điện trở quang và dán các đế lại với nhau để tạo thành một đơn vị (như thể hiện trong hình ảnh thứ tư). Bất kỳ dây dài nào cũng có thể được sử dụng thay cho dây cáp của máy in.

Kết nối một dây phát ra từ điện trở quang với đầu ra nguồn 5V của Arduino. Kết nối dây khác từ điện trở quang với dây dẫn đến một trong các cổng tương tự của Arduino. Sau đó, thêm một điện trở 10 kilo-ohm song song và kết nối điện trở với kết nối đất của Arduino. Hình cuối cùng cho thấy một cách khái niệm các kết nối này có thể được thực hiện như thế nào (tín dụng cho circuit.io).

Bước 11: Kết nối tất cả các thành phần với Arduino

Kết nối máy tính của bạn với Arduino và tải mã đính kèm lên đó. Khi bạn đã tải xuống mã, bạn có thể điều chỉnh nó để phù hợp với nhu cầu và sở thích của mình. Hiện tại, Arduino thực hiện 125 phép đo mỗi khi nó được chạy (nó cũng tính trung bình các phép đo này khi kết thúc) và tín hiệu tương tự của nó dẫn đến A2. Ở đầu mã, bạn có thể thay đổi tên mẫu và ngày lấy mẫu. Để xem kết quả, hãy nhấn nút theo dõi nối tiếp ở trên cùng bên phải của giao diện màn hình Arduino.

Mặc dù nó hơi lộn xộn nhưng bạn có thể thấy cách tôi kết nối từng thành phần của mạch Arduino. Tôi đã sử dụng hai breadboard, nhưng bạn có thể dễ dàng thực hiện chỉ với một. Ngoài ra, nguồn sáng LED của tôi được kết nối với Arduino, nhưng bạn có thể sử dụng nguồn điện khác cho nó nếu muốn.

Bước 12: Đặt Giá đỡ Mẫu của Bạn vào Vỏ Hộp Tệp

Bước cuối cùng trong việc tạo máy quang phổ tự chế của bạn là đặt giá đỡ mẫu vào trong hộp đựng tập tin. Tôi cắt một khe nhỏ trong hộp tập tin để luồn dây từ điện trở quang đi qua. Tôi coi bước cuối cùng này là nghệ thuật hơn là khoa học, vì vị trí trước của mỗi thành phần của hệ thống sẽ ảnh hưởng đến vị trí của ngăn chứa mẫu trong vỏ hộp tệp. Định vị ngăn chứa mẫu sao cho bạn có thể căn chỉnh khe trong ngăn chứa mẫu với màu ánh sáng riêng lẻ. Ví dụ, bạn có thể định vị Arduino sao cho ánh sáng màu cam và ánh sáng xanh lục chiếu vào hai bên của khe trong khi chỉ có ánh sáng vàng đi qua khe tới điện trở quang. Khi bạn đã tìm thấy vị trí chỉ có một ánh sáng màu đi qua khe trong ngăn chứa mẫu, hãy di chuyển ngăn chứa mẫu sang bên để xác định các vị trí tương ứng cho từng màu khác (hãy nhớ, ROYGBV). Dùng bút chì vẽ các đường thẳng dọc theo đáy hộp đựng tài liệu để đánh dấu các vị trí mà chỉ một màu ánh sáng có thể tiếp cận điện trở quang. Tôi đã dán hai khối Jenga ở phía trước và phía sau ngăn chứa mẫu để giúp đảm bảo rằng tôi không bị lệch khỏi các dấu này khi thực hiện các bài đọc.

Bước 13: Kiểm tra Máy quang phổ Tự chế của Bạn - Tạo Quang phổ

Tôi đã chạy một số bài kiểm tra với máy quang phổ tự chế của mình. Là một kỹ sư môi trường, tôi quan tâm đến chất lượng nước và đã lấy mẫu nước từ một con suối nhỏ gần nhà. Khi lấy mẫu, điều quan trọng là bạn phải sử dụng vật chứa sạch và bạn đứng sau vật chứa trong khi lấy mẫu. Đứng phía sau mẫu (tức là ở phía hạ lưu của điểm thu thập) giúp ngăn ngừa sự nhiễm bẩn mẫu của bạn và giảm mức độ do hoạt động của bạn trong dòng ảnh hưởng đến mẫu. Trong một mẫu (Mẫu A), tôi đã thêm một lượng nhỏ Miracle-Gro (lượng thích hợp cho cây trồng trong nhà, dựa trên khối lượng mẫu của tôi), và trong mẫu khác tôi không thêm gì (Mẫu B). Tôi để các mẫu này trong phòng đủ ánh sáng mà không có nắp đậy để cho phép quang hợp (không đậy nắp để trao đổi khí). Như bạn có thể thấy, trong các hình ảnh, mẫu được bổ sung Miracle-Gro trở nên bão hòa với tảo platonic màu xanh lá cây, trong khi mẫu không có Miracle-Gro không có bất kỳ sự tăng trưởng đáng kể nào sau khoảng 15 ngày. Sau khi nó đã bão hòa với tảo, tôi pha loãng một số Mẫu A trong các ống hình nón 50 mL và để chúng trong cùng một căn phòng đủ ánh sáng mà không có nắp đậy. Khoảng 5 ngày sau, đã có những khác biệt đáng chú ý về màu sắc của chúng, cho thấy sự phát triển của tảo. Lưu ý rằng một trong bốn dung dịch pha loãng đã không may bị mất trong quá trình này.

Có nhiều loại tảo khác nhau phát triển ở vùng nước ngọt bị ô nhiễm. Tôi đã chụp ảnh tảo bằng kính hiển vi và tin rằng chúng là chlorococcum hoặc chlorella. Ít nhất một loài tảo khác dường như cũng có mặt. Vui lòng cho tôi biết nếu bạn có thể xác định các loài này!

Sau khi nuôi tảo trong Mẫu A, tôi lấy một mẫu nhỏ của nó và thêm nó vào ống nghiệm trong máy quang phổ tự chế. Tôi đã ghi lại các đầu ra của Arduino cho từng màu ánh sáng và liên kết từng đầu ra với bước sóng trung bình của mỗi dải màu. Đó là:

Ánh sáng đỏ = 685 nm

Ánh sáng cam = 605 nm

Ánh sáng vàng = 580 nm

Ánh sáng xanh lục = 532,5 nm

Ánh sáng xanh lam = 472,5 nm

Ánh sáng tím = 415 nm

Tôi cũng ghi lại kết quả đầu ra của Arduino cho từng màu ánh sáng khi đặt một mẫu nước ở Vườn Lộc Uyển vào ngăn chứa mẫu.

Sử dụng Định luật Beer, tôi đã tính toán giá trị độ hấp thụ cho mỗi phép đo bằng cách lấy logarit cơ số 10 của thương số của độ hấp thụ nước Deep Park chia cho độ hấp thụ Mẫu A. Tôi đã thay đổi các giá trị độ hấp thụ để độ hấp thụ của giá trị thấp nhất bằng 0 và vẽ biểu đồ kết quả. Bạn có thể so sánh các kết quả này với phổ hấp thụ của các sắc tố phổ biến (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Thế giới tảo. Nguồn gốc tế bào, Sự sống trong môi trường sống khắc nghiệt và Sinh vật học thiên văn.) Để cố gắng đoán các loại sắc tố có trong mẫu tảo.

Bước 14: Kiểm tra Máy quang phổ Tự chế của Bạn - Thử nghiệm Khử trùng

Với máy quang phổ tự chế, bạn có thể thực hiện nhiều hoạt động khác nhau. Tại đây, tôi đã tiến hành một thí nghiệm để xem tảo bị phân hủy như thế nào khi tiếp xúc với các nồng độ thuốc tẩy khác nhau. Tôi đã sử dụng một sản phẩm có nồng độ natri hypoclorit (tức là chất tẩy trắng) là 2,40%. Tôi bắt đầu bằng cách thêm 50 mL Mẫu A vào các ống hình nón 50 mL. Sau đó, tôi thêm các lượng khác nhau của dung dịch thuốc tẩy vào các mẫu và thực hiện các phép đo bằng máy quang phổ. Thêm 4 mL và 2 mL dung dịch thuốc tẩy vào các mẫu làm cho các mẫu trở nên trong suốt gần như ngay lập tức, cho thấy sự khử trùng và khử hoạt tính của tảo gần như ngay lập tức. Chỉ thêm 1 mL và 0,5 mL (khoảng 15 giọt từ pipet) dung dịch thuốc tẩy vào mẫu, cho phép đủ thời gian để thực hiện các phép đo bằng máy quang phổ tự chế và phân rã mô hình như một hàm của thời gian. Trước khi làm như vậy, tôi đã sử dụng quy trình ở bước cuối cùng để tạo quang phổ cho dung dịch thuốc tẩy và xác định rằng bước sóng của dung dịch ở ánh sáng đỏ đủ thấp để có thể có ít nhiễu với quá trình khử hoạt tính gần đúng của tảo bằng cách sử dụng độ hấp thụ ở bước sóng màu đỏ. soi rọi. Ở ánh sáng đỏ, số đọc nền từ Arduino là 535 [-]. Thực hiện một số phép đo và áp dụng Định luật Bia cho phép tôi xây dựng hai đường cong được hiển thị. Lưu ý rằng các giá trị độ hấp thụ đã được thay đổi để giá trị hấp thụ thấp nhất là 0.

Nếu có máy đo huyết cầu, các thí nghiệm trong tương lai có thể được sử dụng để phát triển hồi quy tuyến tính liên quan đến độ hấp thụ với nồng độ tế bào trong Mẫu A. Mối quan hệ này sau đó có thể được sử dụng trong phương trình Watson-Crick để xác định giá trị CT cho việc khử hoạt tính của tảo bằng thuốc tẩy.

Bước 15: Những điểm rút ra chính

Thông qua dự án này, tôi đã nâng cao kiến thức của mình về các nguyên tắc cơ bản đối với sinh học và sinh thái môi trường. Thí nghiệm này cho phép tôi nâng cao hiểu biết của mình về động học phát triển và phân rã của các sinh vật quang dưỡng trong môi trường nước. Ngoài ra, tôi đã thực hành các kỹ thuật lấy mẫu và phân tích môi trường trong khi tìm hiểu thêm về các cơ chế cho phép các công cụ như máy quang phổ hoạt động. Trong khi phân tích mẫu dưới kính hiển vi, tôi đã tìm hiểu thêm về môi trường vi mô của sinh vật và làm quen với cấu trúc vật lý của từng loài riêng lẻ.