Yosun tajribalari uchun uy qurilishi Jenga blokli spektrofotometr: 15 qadam

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:24

Yosunlar fotosintetik protistlar va shuning uchun suvli oziq -ovqat zanjirlarida muhim organizmlardir. Biroq bahor va yoz oylarida bu va boshqa mikroorganizmlar tabiiy suv resurslarini ko'paytirib, ko'paytirib yuborishi mumkin, natijada kislorod kamayadi va zaharli moddalar ishlab chiqariladi. Bu organizmlarning o'sish tezligini tushunish, suv resurslarini himoya qilishda, shuningdek, ularning kuchidan foydalanadigan texnologiyalarni ishlab chiqishda foydali bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, bu organizmlarning deaktivatsiya tezligini tushunish suv va oqava suvlarni tozalashda foydali bo'lishi mumkin. Ushbu tadqiqotda men Pensilvaniya shtatining Xorsham shahridagi Park Krikdan olingan suvda xlorli oqartiruvchi moddalarga chalingan organizmlarning parchalanish tezligini tahlil qilish uchun arzon spektrofotometr qurishga harakat qilaman. Saytdan yig'ilgan daryo suvining namunasi ozuqaviy aralashma bilan o'g'itlanadi va alg o'sishini rag'batlantirish uchun quyosh nurida qoldiriladi. Uyda ishlab chiqarilgan spektrofotometr Arduino zanjiriga ulangan fotorezistor tomonidan aniqlanmaguncha, alohida to'lqin uzunlikdagi yorug'lik namunadagi flakon orqali o'tishiga imkon beradi. Namuna tarkibidagi organizmlar zichligi oshgani sayin, namuna yutadigan yorug'lik miqdori ortishi kutilmoqda. Ushbu mashq elektronika, optika, biologiya, ekologiya va matematikadagi tushunchalarga urg'u beradi.

Men o'z spektrofotometrim g'oyasini Satchelfrost tomonidan ko'rsatiladigan "Talabalar spektrofotometri" va Daniel R. Albert, Maykl A. Todt va X. Floyd Devisning "Arzon narxli miqdorli yutilish spektrofotometri" maqolasidan ishlab chiqdim.

1 -qadam: Yengil yo'l ramkasini yarating

Bu yo'riqnomadagi birinchi qadam - oltita Jenga bloklari va tasmasidan yorug'lik yo'li ramkasini yaratish. Yorug'lik yo'li ramkasi yorug'lik manbasini, kattalashtirish moslamasini va CD diffraktsion panjarasini joylashtirish va qo'llab -quvvatlash uchun ishlatiladi. Birinchi rasmda ko'rsatilgandek, uchta Jenga blokini yopishtirib, ikkita uzun chiziq yarating. Ikkinchi rasmda ko'rsatilgandek, bu chiziqlarni bir -biriga yopishtiring.

2 -qadam: Kattalashtirish qurilmangiz uchun tayanch yarating va uni yorug'lik yo'li ramkasiga ulang

Kattalashtirish moslamasi yorug'lik yo'lining ramkasiga o'rnatiladi va kompakt -disk tarqalishidan oldin LED chiqaradigan nurni jamlaydi. Birinchi rasmda ko'rsatilgandek, ikkita Jenga blokini bog'lang, shunda bitta blokning o'rtasi boshqa blokning oxiriga to'g'ri burchak ostida bo'ladi. Uchinchi rasmda ko'rsatilgandek lenta yordamida kattalashtirish moslamasini bu tayanchga ulang. Men bir necha yillardan buyon kichkina, arzonroq kattalashtiruvchi oynadan foydalandim. Kattalashtirish moslamasini uning tagiga biriktirgandan so'ng, men kattalashtirish moslamasini yorug'lik yo'li ramkasiga yopishtirdim. Men kattalashtirish moslamasini yorug'lik chizig'i ramkasining chetidan 13,5 sm uzoqlikda joylashtirdim, lekin siz qurilmani kattalashtiruvchi oynaning fokus uzunligiga qarab boshqa joyga o'rnatishingiz kerak bo'lishi mumkin.

3 -qadam: yorug'lik manbasini yarating

CD diffraktsion panjarasi va fotorezistorga etib boradigan konsentratsiyasiz yorug'lik miqdorini cheklash uchun men tepada kichik tuynuk bo'lgan qora qalam qopqog'idagi oq LED lampochkani mahkamlash uchun elektr tasma ishlatardim. Birinchi rasmda LED, ikkinchi rasmda lentali LED qalam qopqog'i ko'rsatilgan. Anod va katod simlari joylashgan LEDning orqa tarafidan yorug'lik tushmasligi uchun men elektr tasmaning kichik qismlarini ishlatardim.

LED qalam qopqog'ini yaratgandan so'ng, men LEDni 220 ohmli rezistor va quvvat manbaiga uladim. Men LEDni Arduino Uno mikrokontrolerining 5V va tuproqli ulanishlariga uladim, lekin har qanday tashqi shahar quvvat manbaidan foydalanish mumkin. LED chirog'i yonib ketmasligi uchun rezistor muhim ahamiyatga ega.

4 -qadam: yorug'lik manbasini yorug'lik yo'li ramkasiga mahkamlang

Yorug'lik manbai uchun platformani ta'minlash uchun yorug'lik yo'li ramkasining oxiriga yaqin boshqa Jenga blokini yopishtiring. O'rnatishimda, yorug'lik manbasini qo'llab-quvvatlaydigan Jenga bloki yorug'lik yo'li ramkasining chetidan taxminan 4 sm masofada joylashgan. Ikkinchi rasmda ko'rsatilgandek, yorug'lik manbasining to'g'ri joylashishi shundan iboratki, yorug'lik nurlari CD -diffraktsion panjara bo'ladigan yorug'lik yo'li ramkasining qarama -qarshi uchidagi kattalashtirish moslamasi orqali fokuslanadi.

5 -qadam: yorug'lik yo'li ramkasini, kattalashtirish moslamasini va yorug'lik manbasini fayl qutisiga joylashtiring

Spektrofotometrning har bir komponentini ushlab turish uchun fayl qutisi yoki boshqa tomoni shaffof bo'lmagan muhrlanadigan idishdan foydalaning. Rasmda ko'rsatilgandek, men fayllar qutisidagi yorug'lik yo'lini, kattalashtirish moslamasini va yorug'lik manbasini mahkamlash uchun tasma ishlatardim. Men bitta Jenga blokidan yorug'lik qutisi oralig'ini fayl qutisining ichki devorining chetidan taxminan 2,5 sm uzoqlikda joylashtirish uchun ishlatardim (Jenga bloki faqat oraliq uchun ishlatilgan va keyinchalik olib tashlangan).

6 -qadam: CD diffraktsiya panjarasini kesib oling va joylashtiring

Hobbi pichog'i yoki qaychi yordamida diskni yuzi va yonlari taxminan 2,5 sm uzunlikdagi aks etuvchi kvadrat shaklida kesing. CDni Jenga blokiga ulash uchun lentadan foydalaning. Jenga blokining joylashuvi va CD diffraktsion panjarasi bilan o'ynang, shunda u LED manbasidan yorug'lik tushganda, fayl qutisi korpusining qarama -qarshi devoriga kamalakni chiqaradi. Qo'shilgan rasmlar men ushbu komponentlarni qanday joylashtirganimni ko'rsatadi. Oxirgi rasmda ko'rsatilgandek kamalakning nisbatan tekis bo'lishi muhim. Fayl qutisi devorining ichki qismidagi o'lchagich va qalam eskizi proektsiya qachon tekisligini aniqlashga yordam beradi.

7 -qadam: namuna ushlagichini yarating

Qo'shilgan hujjatni chop eting va qog'ozni kartonga yopishtiring yoki yopishtiring. Kartonni kesish uchun qaychi yoki sevimli pichoqni ishlating. Kartonni xochning o'rtasiga bosilgan chiziqlar bo'ylab qo'ying. Bundan tashqari, rasmda ko'rsatilgandek, karton xochning ikki qo'lining o'rtasida teng balandlikdagi mayda bo'laklarni kesib oling; Bu yoriqlar yorug'lik to'lqin uzunliklarining namuna orqali fotorezistorga o'tishiga imkon beradi. Men kartonni yanada mustahkam qilish uchun lenta ishlatardim. Kartonni ballar bo'ylab katlayın va to'rtburchaklar namuna ushlagichi hosil bo'ladigan qilib yopishtiring. Namuna ushlagichi shisha probirkaga mahkam o'rnashishi kerak.

8 -qadam: Namuna ushlagichi uchun asos yaratish va biriktirish

Jenga -ning uchta blokini bir -biriga bog'lab qo'ying va yig'ilishni namuna ushlagichiga ko'rsatilgandek ulang. Namuna ushlagichidan probirka chiqarilganda, karton namunasi ushlagichi Jenga blokli taglikdan ajralmasligiga ishonch hosil qiling.

9 -qadam: Fotosistorni namuna ushlagichiga qo'shing

Fotorezistorlar fotokondüktiv va yorug'lik intensivligi oshishi bilan ular beradigan qarshilik miqdorini kamaytiradi. Men fotorezistorni yog'ochdan yasalgan kichkina korpusga yopishtirdim, lekin korpus kerak emas. Orqa fotorezistorni tasma qilib oling, uning sezuvchi yuzi namuna ushlagichida siz kesgan teshikka to'g'ri joylashadi. Namuna va namuna ushlagichining yoriqlaridan o'tgandan so'ng, fotorezistorni iloji boricha yorug'lik tushishiga harakat qiling.

10 -qadam: Fotoresistorni ulang

Arduino pallasida fotorezistorni ulash uchun men avval eski USB printer kabelining simlarini kesib tashladim. Men uchta blokni rasmda ko'rsatilgandek yopishtirdim, keyin esa bu tayanchga ajratilgan simlarni biriktirdim. Ikkita bo'g'in biriktirgichidan foydalanib, men USB printer simi simlarini fotorezistor terminallariga uladim va tayanchlarni yopishtirib, bitta birlik hosil qildim (to'rtinchi rasmda ko'rsatilgandek). Printer kabelining simlari o'rniga har qanday uzun simlardan foydalanish mumkin.

Fotorezistordan chiqadigan bitta simni Arduino 5V quvvat manbaiga ulang. Boshqa simni fotorezistordan Arduino portidagi analoglardan biriga olib keladigan simga ulang. Keyin parallel ravishda 10 kilo-ohmli rezistorni qo'shing va rezistorni Arduino erga ulang. Oxirgi raqam kontseptual tarzda bu ulanishlar qanday amalga oshirilishini ko'rsatadi (circuit.io kreditiga).

11 -qadam: Barcha komponentlarni Arduino -ga ulang

Kompyuteringizni Arduino -ga ulang va unga biriktirilgan kodni yuklang. Kodni yuklab olgandan so'ng, uni sizning xohishingiz va xohishingizga moslashtirishingiz mumkin. Hozirgi vaqtda Arduino har ishga tushirilganda 125 o'lchovni oladi (u ham bu o'lchovlarni oxirida o'rtacha hisoblab chiqadi) va uning analogidagi signal A2 ga olib keladi. Kodning yuqori qismida siz namuna nomini va namuna sanasini o'zgartirishingiz mumkin. Natijalarni ko'rish uchun Arduino ish stoli interfeysining yuqori o'ng burchagidagi ketma -ket monitor tugmachasini bosing.

Bu biroz chalkash bo'lsa -da, men qanday qilib Arduino zanjirining har bir komponentini ulaganimni ko'rishingiz mumkin. Men ikkita non taxtasidan foydalandim, lekin siz bittasini bemalol qila olasiz. Bundan tashqari, mening LED yorug'lik manbai Arduino -ga ulangan, lekin agar xohlasangiz, siz boshqa quvvat manbaidan foydalanishingiz mumkin.

12 -qadam: Namuna ushlagichini fayl qutisiga joylashtiring

Uyda tayyorlangan spektrofotometrni yaratishda oxirgi qadam namuna ushlagichini fayl qutisiga joylashtirishdir. Men fotoresistordan simlarni o'tkazish uchun fayllar qutisiga kichik bir bo'lakni kesib tashladim. Men bu oxirgi qadamni fanga qaraganda ko'proq san'at deb hisobladim, chunki tizimning har bir komponentining oldindan joylashtirilishi namuna ushlagichining fayl qutisiga joylashishiga ta'sir qiladi. Namuna ushlagichini namuna ushlagichidagi yoriqni yorug'likning individual rangiga moslashtira oladigan qilib joylashtiring. Masalan, siz Arduino -ni to'q sariq va yashil chiroq yoriqning har ikki tomoniga tushadigan qilib joylashtirishingiz mumkin, faqat yorug 'yoriq orqali fotorezistorga o'tadi. Namuna ushlagichidagi yoriqdan faqat bitta yorug'lik o'tadigan joyni topganingizdan so'ng, bir -biriga mos keladigan joylarni aniqlash uchun namuna ushlagichini yon tomonga siljiting (esda tuting, ROYGBV). Fotosistorga faqat bitta rang yorug'lik kira oladigan joylarni belgilash uchun qalamdan foydalanib, fayl qutisining pastki qismiga to'g'ri chiziqlar torting. O'qish paytida men bu belgidan chetga chiqmaganimga ishonch hosil qilish uchun namuna ushlagichining oldida va orqasida ikkita Jenga blokini yopishtirdim.

13 -qadam: Uyda ishlab chiqarilgan spektrofotometrni sinab ko'ring - spektr yarating

Men uy qurgan spektrofotometr bilan bir nechta testlarni o'tkazdim. Men atrof -muhit muhandisi sifatida suv sifatiga qiziqaman va uyim yonidagi kichik oqimdan suv namunalarini oldim. Namunalarni olishda siz toza idishni ishlatayotganingiz va namuna olayotganingizda idishning orqasida turganingiz muhim. Namuna orqasida turish (ya'ni yig'ish punktining quyi oqimida) sizning namunangizning ifloslanishini oldini oladi va oqimdagi faolligingiz namunaga ta'sirini kamaytiradi. Bir namunada (A namunasi), men oz miqdordagi Miracle-Gro qo'shdim (yopiq o'simliklar uchun mos bo'lgan miqdor, mening namuna hajmimni hisobga olgan holda), boshqa namunada esa hech narsa qo'shmadim (B namunasi). Men bu namunalarni yaxshi yoritilgan xonada, fotosintezga ruxsat berish uchun qovoqlari bo'lmagan holda qoldirdim. Ko'rib turganingizdek, rasmlarda Miracle-Gro bilan to'ldirilgan namuna yashil platonik suv o'tlari bilan to'yingan bo'lib, Miracle-Gro bo'lmagan namuna taxminan 15 kundan keyin sezilarli o'sishni sezmagan. Yosunlar bilan to'yinganidan so'ng, men A namunasining bir qismini 50 ml konusli naychalarda suyultirdim va qovoqlari bo'lmagan, yaxshi yoritilgan xonada qoldirdim. Taxminan 5 kundan so'ng, ularning ranglarida sezilarli farqlar bor edi, bu yosun o'sishini ko'rsatadi. E'tibor bering, to'rtta suyultirishdan biri afsuski, bu jarayonda yo'qoldi.

Ifloslangan chuchuk suvlarda o'sadigan alglarning har xil turlari mavjud. Men suv o'tlarini mikroskop yordamida suratga oldim va ular xlorokok yoki xlorella deb o'ylayman. Hech bo'lmaganda boshqa yosun turlari ham mavjud ko'rinadi. Iltimos, agar siz ushbu turlarni identifikatsiya qila olsangiz, menga xabar bering!

Yosunlarni A namunasida o'stirgandan so'ng, men uning kichik namunasini oldim va uni uy qurilishi spektrofotometridagi probirkaga qo'shdim. Men Arduino -ning har bir yorug'lik rangidagi chiqishlarini yozdim va har bir chiqishni har bir rang diapazonining o'rtacha to'lqin uzunligi bilan bog'ladim. Anavi:

Qizil chiroq = 685 nm

To'q rangli yorug'lik = 605 nm

Sariq yorug'lik = 580 nm

Yashil chiroq = 532,5 nm

Moviy yorug'lik = 472,5 nm

Binafsha nur = 415 nm

Bundan tashqari, namuna ushlagichiga kiyik parki suvining namunasi qo'yilganida, men har bir yorug'lik rangiga Arduino -ning chiqishini yozdim.

Beer qonunidan foydalanib, men har bir o'lchov uchun absorbans qiymatini A-namuna yutilishiga bo'lingan Deep Park suv yutilishining 10-bazaviy logarifmini olib hisoblab chiqdim. Men absorbans qiymatlarini eng past qiymatning yutilishi nolga tenglashtirdim va natijalarni tuzdim. Siz pigmentlarning turlarini taxmin qilishga urinish uchun bu natijalarni oddiy pigmentlarning yutilish spektri bilan solishtirishingiz mumkin (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Yosunlar olami. Uyali kelib chiqishi, o'ta yashash joylarida hayot va astrobiologiya.). suv o'tlari namunasida mavjud.

14 -qadam: Uyda ishlab chiqarilgan spektrofotometrni - dezinfeksiya tajribasini sinab ko'ring

Uyda ishlab chiqarilgan spektrofotometr yordamida siz turli xil mashqlarni bajarishingiz mumkin. Bu erda men turli xil konsentratsiyali oqartiruvchilar ta'sirida suv o'tlari qanday parchalanishini ko'rish uchun tajriba o'tkazdim. Men natriy gipoxlorit (ya'ni, oqartirish) konsentratsiyasi 2,40%bo'lgan mahsulotdan foydalandim. Men 50 ml A namunasini 50 ml konusli naychalarga qo'shib boshladim. Keyin namunalarga har xil miqdordagi oqartuvchi eritma qo'shdim va spektrofotometr yordamida o'lchovlar qildim. Namunalarga 4 ml va 2 ml oqartuvchi eritma qo'shilishi, namunalarning deyarli darhol tiniqlashishiga olib keldi, bu deyarli suv o'tlarining dezinfektsiyalanishi va o'chirilishini ko'rsatdi. Namunalarga faqat 1 ml va 0,5 ml (taxminan 15 tomchi pipetkadan) oqartuvchi eritma qo'shilsa, uy sharoitida ishlab chiqarilgan spektrofotometr va vaqt parchalanishidan foydalanib o'lchovlarni o'tkazish uchun etarli vaqt ajratiladi. Buni qilishdan oldin, men oxirgi bosqichda oqartuvchi eritma uchun spektr yaratish uchun protsedurani qo'lladim va eritmaning qizil nurda to'lqin uzunligi etarlicha past ekanligini aniqladim, shuning uchun qizil to'lqin uzunliklarida absorbans yordamida alglarning deaktivatsiyasini taxmin qilishda ozgina shovqin bo'ladi. yorug'lik Qizil nurda Arduino-dan fonda o'qish 535 [-] edi. Bir necha o'lchovlarni olib, pivo qonunini qo'llash menga ko'rsatilgan ikkita egri chizig'ini qurishga imkon berdi. E'tibor bering, yutilish qiymatlari eng past yutilgan qiymat 0 ga teng bo'lgan.

Agar gemotsitometr mavjud bo'lsa, kelgusidagi tajribalar A namunasidagi hujayra konsentratsiyasi bilan bog'liq bo'lgan chiziqli regressiyani ishlab chiqish uchun ishlatilishi mumkin. Bu munosabatlar keyinchalik oqsil yordamida suv o'tlarini o'chirish uchun CT-qiymatini aniqlash uchun Uotson-Krik tenglamasida ishlatilishi mumkin..

15 -qadam: Asosiy echimlar

Ushbu loyiha orqali men atrof -muhit biologiyasi va ekologiyasining asosiy tamoyillari haqidagi bilimimni oshirdim. Bu tajriba menga suv muhitida fotoautotroflarning o'sishi va parchalanishi kinetikasi haqidagi tasavvurimni yanada rivojlantirishga imkon berdi. Bundan tashqari, men spektrofotometr kabi asboblarning ishlashiga imkon beradigan mexanizmlar haqida ko'proq bilib, atrof -muhitni tanlab olish va tahlil qilish usullarini qo'lladim. Namunalarni mikroskop ostida tahlil qilib, men organizmlarning mikro muhitlari haqida ko'proq bilib oldim va alohida turlarning fizik tuzilmalari bilan tanishdim.