Hệ thống kiểm soát và giám sát độ đục đơn giản cho vi tảo: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Giả sử bạn cảm thấy nhàm chán với việc lấy mẫu nước để đo độ đục, một thuật ngữ tổng quát chỉ bất kỳ hạt nhỏ lơ lửng nào trong nước, làm giảm cường độ ánh sáng với đường ánh sáng tăng hoặc nồng độ hạt cao hơn hoặc cả hai. Vì vậy, làm thế nào để làm điều đó?

Dưới đây là một số bước tôi đã thực hiện để xây dựng hệ thống giám sát tự động mật độ sinh khối của vi tảo. Đây là loại vi tảo có kích thước dưới micromet, lơ lửng trong nước và có lối sống khắc nghiệt, chuyển đổi năng lượng ánh sáng và giảm carbon dioxide thành sinh khối mới được tổng hợp. Điều đó là đủ về vi tảo.

Để đo độ đục hoặc mật độ sinh khối, trong trường hợp của tôi, tôi cần đo cường độ ánh sáng ở phía đầu dò được chuyển đổi thành giá trị đọc điện áp. Một trở ngại mà tôi gặp phải lúc đầu là tìm một cảm biến phù hợp hoạt động với các loài vi tảo mà tôi đã làm việc cùng.

Có thể đo độ đục bằng máy quang phổ. Máy quang phổ trong phòng thí nghiệm đắt tiền và hầu hết chỉ đo từng mẫu một. Bằng cách nào đó, tôi đã may mắn mua được một cảm biến độ đục giá rẻ mà tôi có thể tìm thấy trên ebay.com hoặc amazon.com, và thật ngạc nhiên, cảm biến hoạt động tốt với các loài vi tảo mà tôi đã thử nghiệm.

Bước 1: Các bộ phận cần thiết:

1. Một cảm biến độ đục như thế này trong ảnh kết nối ống. Một trong danh sách có một lối đi mở trừ khi bạn định nhấn chìm cảm biến.

2. Một bảng Arduino. Nó có thể là Nano, hoặc Mega / Uno (nếu sử dụng Yun Shield)

3. Một chiết áp. Tốt hơn nên sử dụng độ chính xác như thế này.

4. Một màn hình OLED. Tôi đã sử dụng SSD1306, nhưng các loại LCD khác như 1602, 2004 sẽ hoạt động (và sửa lại mã cho phù hợp).

5. Một bảng phát lại với hai kênh như thế này

6. Hai trong số ba công tắc vị trí để điều khiển bằng tay bổ sung

7. Máy bơm: Tôi đã mua một máy bơm nhu động nhỏ 12V và sử dụng máy bơm kênh đôi Cole Parmer trong phòng thí nghiệm làm máy bơm chính. Nếu máy bơm chính chỉ có một đầu kênh, thì hãy sử dụng ống xả tràn để thu sinh khối dư thừa, lưu ý rằng sinh khối có thể lướt qua trên đỉnh của lò phản ứng nếu bạn đang sử dụng máy khuấy trộn mạnh.

8. Raspberry Pi hoặc máy tính xách tay để ghi dữ liệu cho Tùy chọn 1 hoặc Yun Shield cho Tùy chọn 2

Tổng chi phí nằm trong khoảng $ 200. Máy bơm Cole Parmer dao động khoảng $ 1000, và không bao gồm trong tổng chi phí. Tôi đã không đưa ra một tổng kết chính xác.

Bước 2: Tùy chọn 1: Đăng nhập dữ liệu vào máy tính / Raspberry Pi qua cáp USB

Sử dụng máy tính hoặc Raspberry Pi để ghi một số dữ liệu đầu ra

Việc ghi âm có thể được thực hiện bằng tùy chọn ghi nhật ký như Putty (Windows) hoặc Screen (Linux). Hoặc nó có thể được thực hiện bằng một tập lệnh Python. Tập lệnh này yêu cầu Python3 và một thư viện có tên là pyserial để hoạt động. Bên cạnh dữ liệu đã ghi có thể dễ dàng truy cập trong máy tính xách tay hoặc trong Máy tính để bàn từ xa, cách tiếp cận này tận dụng thời gian trên máy tính được đăng nhập vào tệp cùng với các kết quả đầu ra khác.

Đây là một hướng dẫn khác mà tôi đã viết về cách thiết lập Raspberry Pi và thu thập dữ liệu từ Arduino. Đây là hướng dẫn từng bước để lấy dữ liệu từ Arduino sang Raspberry Pi.

Và mã cho Arduino được lưu trữ ở đây cho Tùy chọn 1: vận hành hệ thống cảm biến độ đục và đăng nhập dữ liệu vào máy tính.

Như tôi đã đề cập ở trên, đây là một hệ thống đơn giản, nhưng để cảm biến tạo ra dữ liệu có ý nghĩa, thì đối tượng của phép đo như vi tảo, hoàng hôn, sữa, hoặc các hạt lơ lửng cần được lơ lửng, tương đối ổn định.

Tệp được ghi lại chứa dấu thời gian, điểm đặt, giá trị đo độ đục và thời điểm bật máy bơm chính. Điều đó sẽ cung cấp cho bạn một số chỉ số về hiệu suất hệ thống. Bạn có thể thêm nhiều tham số vào Serial.println (dataString) trong tệp.ino.

Dấu phẩy (hoặc tab hoặc các ký tự khác để chia dữ liệu thành từng ô trong bảng tính) nên được thêm vào mỗi đầu ra để dữ liệu có thể được chia trong Excel để tạo biểu đồ. Dấu phẩy sẽ giúp bạn tiết kiệm một phần tóc (nó tiết kiệm cho tôi), đặc biệt là sau khi có vài nghìn dòng dữ liệu, và tìm cách phân chia các số và quên thêm dấu phẩy ở giữa.

Bước 3: Tùy chọn 2: Dữ liệu được ghi vào Yun Shield

Sử dụng Yun Shield trên Arduino Mega hoặc Uno để ghi dữ liệu

Yun Shield chạy một bản phân phối Linux tối thiểu và nó có thể kết nối với Internet, có cổng USB và khe cắm thẻ nhớ SD, vì vậy dữ liệu có thể được ghi vào thẻ USB hoặc thẻ SD. Thời gian được truy xuất từ hệ thống Linux, và tệp dữ liệu được truy xuất từ chương trình FTP như WinSCP hoặc FileZilla hoặc trực tiếp từ USB, đầu đọc thẻ SD.

Đây là mã được lưu trữ trên Github cho Tùy chọn 2.

Bước 4: Hiệu suất cảm biến độ đục

Tôi đã sử dụng cảm biến độ đục Amphenol (TSD-10) và nó đi kèm với biểu dữ liệu. Khó hơn để xác minh sản phẩm từ danh sách trực tuyến. Biểu dữ liệu bao gồm một biểu đồ của chỉ số điện áp (Vout) với nồng độ độ đục khác nhau được biểu thị trong Đơn vị đo độ đục thận (NTU). Đối với vi tảo, mật độ sinh khối thường ở bước sóng 730 nm, hoặc 750 mm để đo nồng độ hạt, gọi là mật độ quang học (OD). Vì vậy, đây là so sánh giữa Vout, OD730 (được đo bằng Máy quang phổ Shimadzu) và OD750 (được chuyển đổi từ NTU trong biểu dữ liệu).

Trạng thái mong muốn nhất của hệ thống này là độ đục tĩnh hoặc độ đục mà hệ thống có thể tự động đo và kiểm soát mật độ sinh khối ở (hoặc gần) đến một giá trị đã đặt. Đây là một biểu đồ cho thấy hệ thống này được thực hiện.

Tiết lộ:

Hệ thống giám sát và kiểm soát độ đục này (thường được gọi là turbidostat) là một trong ba đơn vị tôi đã làm việc trong nỗ lực xây dựng một máy phản ứng quang học tiên tiến. Công việc này được thực hiện khi tôi làm việc tại Trung tâm Công nghệ Sinh học Môi trường Biodesign Swette, Đại học Bang Arizona. Những đóng góp khoa học của hệ thống này trong việc thúc đẩy canh tác tảo đã được công bố trên Tạp chí Nghiên cứu Tảo.