Балдырлар экспериментіне арналған үйдегі Дженга блогының спектрофотометрі: 15 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:23

Балдырлар фотосинтетикалық протисттер болып табылады және су қоректік тізбектеріндегі маңызды организмдер болып табылады. Алайда көктем мен жаз айларында бұл және басқа микроорганизмдер табиғи су ресурстарын көбейтіп, басып кетуі мүмкін, нәтижесінде оттегі сарқылып, улы заттар шығарылады. Бұл организмдердің өсу жылдамдығын түсіну су ресурстарын қорғауда, сондай -ақ олардың күшін пайдаланатын технологияларды дамытуда пайдалы болуы мүмкін. Сонымен қатар, бұл организмдердің сөндіру жылдамдығын түсіну су мен ағынды суларды тазартуда пайдалы болуы мүмкін. Бұл зерттеуде мен Пенсильвания штатының Хоршам қаласындағы Парк Криктен алынған суда хлор ағартқыш әсеріне ұшыраған организмдердің ыдырау жылдамдығын талдау үшін арзан спектрофотометр құруға тырысамын. Алаңнан жиналған ағын суының үлгісі қоректік қоспамен ұрықтандырылады және балдырлардың өсуіне ықпал ету үшін күн сәулесінде қалдырылады. Қолдан жасалған спектрофотометр Arduino схемасына қосылған фоторезистормен анықталмас бұрын дискретті толқын ұзындығындағы жарық үлгінің флаконынан өтуге мүмкіндік береді. Үлгідегі организмдердің тығыздығы жоғарылаған сайын, үлгі сіңіретін жарық мөлшері артады деп күтілуде. Бұл жаттығу электроника, оптика, биология, экология және математикадағы түсініктерге баса назар аударады.

Мен спектрофотометрдің идеясын Satchelfrost нұсқаулығындағы «Студенттер спектрофотометрі» мен Даниэль Р. Альберт, Майкл А. Тодт және Х. Флойд Дэвистің «Шамалы сіңіру спектрофотометрі» мақаласынан жасадым.

1 -қадам: Жарық жолының жақтауын жасаңыз

Бұл нұсқаулықтағы бірінші қадам - алты Дженга блогы мен таспадан жеңіл жолақ жақтауын құру. Жарық жолының жақтауы жарық көзін, үлкейту құрылғысын және CD дифракциялық торды орналастыру мен қолдау үшін қолданылады. Бірінші суретте көрсетілгендей үш Дженга блогын таспамен екі ұзын жолақ жасаңыз. Бұл жолақтарды екінші суретте көрсетілгендей бекітіңіз.

2 -қадам: Үлкейту құрылғысының негізін жасаңыз және оны жарық жолының жақтауына бекітіңіз

Үлкейту құрылғысы жарық жолының жақтауына бекітіледі және ықшам дискіден дифракциядан бұрын жарықдиодты жарық шығаратын шоғырландырылады. Бірінші суретте көрсетілгендей, бір блоктың ортасы басқа блоктың соңына тік бұрышта болатындай етіп, екі Дженга блоктарын байланыстырыңыз. Үшінші суретте көрсетілгендей таспаны пайдаланып үлкейту құрылғысын бекітіңіз. Мен кішкентай, қымбат емес үлкейткішті қолдандым, менде бірнеше жыл болды. Ұлғайтқыш құрылғыны оның негізіне бекіткеннен кейін мен ұлғайту құрылғысын жарық жолының жақтауына жапсырдым. Мен үлкейту құрылғысын жарық жолағының шетінен 13,5 см қашықтықта орналастырдым, бірақ сізге үлкейткіш әйнектің фокустық ұзындығына байланысты құрылғыны басқа күйге бекіту қажет болуы мүмкін.

3 -қадам: Жарық көзін жасаңыз

Ықшам дисктің дифракциялық торына және фоторезисторға жететін шоғырланбаған жарық мөлшерін шектеу үшін мен жоғарғы жағында кішкене тесік бар қара қаламның қақпағының ішіндегі ақ жарықдиодты шамды бекіту үшін электрлік таспаны қолдандым. Бірінші суретте жарық диоды, екінші суретте таспалы жарықдиодты қаламның қақпағы көрсетілген. Мен анод пен катод сымдары орналасқан светодиодтың артқы жағынан жарық түспес үшін электр таспасының кішкене бөліктерін қолдандым.

Жарықдиодты-қаламның қақпағын жасағаннан кейін мен светодиодты 220 Ом резистор мен қуат көзіне қостым. Мен светодиодты Arduino Uno микроконтроллерінің 5В сымына және жерге қосылдым, бірақ кез келген сыртқы тұрақты ток көзін пайдалануға болады. Резистор жарықдиодты шамның жануын болдырмау үшін маңызды.

4 -қадам: Жарық көзін жарық жолының шеңберіне бекітіңіз

Жарық көзіне платформа беру үшін жарық жолының жақтауының соңындағы басқа Дженга блогын таспамен бекітіңіз. Менің қондырғымда жарық көзін қолдайтын Дженга блогы жарық жолының жақтауының шетінен шамамен 4 см қашықтықта орналасқан. Екінші суретте көрсетілгендей, жарық көзінің дұрыс орналасуы жарық сәулесі ықшам дискідегі дифракциялық тор болатын жарық жолының қарама -қарсы шетіндегі үлкейту құрылғысы арқылы фокусталады.

5 -қадам: Жарық жолының жақтауын, үлкейту құрылғысын және жарық көзін файл қорабының корпусына орналастырыңыз

Спектрофотометрдің компоненттерінің әрқайсысын ұстау үшін қаптама ретінде қапталуы мөлдір емес қаптаманы немесе басқа тығыздағыш контейнерді қолданыңыз. Суретте көрсетілгендей, мен таспаны жарық жолының жақтауын, үлкейту құрылғысын және файл қорабының корпусындағы жарық көзін бекіту үшін қолдандым. Мен файлдық қораптың ішкі қабырғасының шетінен шамамен 2,5 см қашықтықта жарық жолының жақтауын орналастыру үшін бір Дженга блогын қолдандым (Дженга блогы аралық үшін ғана пайдаланылды және кейінірек жойылды).

6 -қадам: Ықшам дискідегі дифракциялық торды кесіңіз және орналастырыңыз

Ықшам дискіні беті мен бүйірі шамамен 2,5 см болатын төртбұрышты етіп кесу үшін хобби пышағын немесе қайшыны қолданыңыз. Ықшам дискіні Дженга блогына бекіту үшін таспаны қолданыңыз. Дженга блогы мен CD дифракциялық торының орналасуымен ойнаңыз, ол жарықдиодты көзден жарық түскен кезде файл қораптарының корпусының қарама -қарсы қабырғасында кемпірқосақты шығарады. Қосылған суреттер бұл компоненттерді қалай орналастырғанымды көрсетеді. Жобаланған кемпірқосақтың соңғы суретте көрсетілгендей салыстырмалы деңгейде болғаны маңызды. Файл қорапшасының қабырғасының ішкі жағындағы сызғыш пен қарындаш эскизі проекцияның қашан болатынын анықтауға көмектеседі.

7 -қадам: Үлгі ұстағышын жасаңыз

Қосылған құжатты басып шығарыңыз, қағазды картонға жабыстырыңыз немесе жабыстырыңыз. Картонды көлденең етіп кесу үшін қайшыны немесе хобби пышағын қолданыңыз. Картонды кресттің ортасында басылған сызықтар бойынша бағалаңыз. Қосымша, суретте көрсетілгендей картоннан жасалған кресттің екі қолының ортасында бірдей биіктікте ұсақ тесіктерді кесіңіз; бұл саңылаулар жарықтың дискретті толқын ұзындығына үлгі арқылы фоторезисторға өтуге мүмкіндік береді. Мен картонның берік болуына көмектесу үшін таспаны қолдандым. Картонды ұпайлар бойымен бүктеп, тіктөртбұрышты үлгі ұстағыш пайда болатындай етіп жабыстырыңыз. Үлгі ұстағыш шыны пробирка айналасында тығыз орналасуы керек.

8 -қадам: Үлгі ұстағыш үшін негіз жасаңыз және бекітіңіз

Дженгаға арналған үш блокты байланыстырыңыз және суретті үлгі жинағына бекітіңіз. Пробирка сынама ұстағыштан шығарылған кезде, картоннан үлгі ұстаушы Jenga блок негізінен ажырамайтындай берік екеніне көз жеткізіңіз.

9 -қадам: Үлгі ұстағышқа фоторезисторды қосыңыз

Фоторезисторлар фотоөткізгіш болып табылады және жарық интенсивтілігі жоғарылаған сайын олар беретін қарсылық мөлшерін азайтады. Мен фоторезисторды ағаштан жасалған шағын корпусқа жапсырдым, бірақ корпус қажет емес. Артқы фоторезисторды оның сезімтал беті үлгі ұстағышында кесілген ойыққа қарама -қарсы болатындай етіп бекітіңіз. Үлгі мен үлгінің ұстағышының саңылауларынан өткеннен кейін фоторезисторды мүмкіндігінше жарық түсетін етіп орналастыруға тырысыңыз.

10 -қадам: Фоторезисторды қосыңыз

Фоторезисторды Arduino тізбегіне қосу үшін алдымен USB принтерінің ескі кабелінің сымдарын кесіп алып тастадым. Мен суретте көрсетілгендей үш блокты скотчпен жаптым, содан кейін бұл негізге жалаңаш сымдарды жаптым. Мен екі түйіннің көмегімен USB принтері кабелінің сымдарын фоторезистордың терминалдарына жалғап, негіздерді скотчпен бекітіп, бір бірлікті құрадым (төртінші суретте көрсетілгендей). Принтер кабелінің сымдарының орнына кез келген ұзын сымдарды қолдануға болады.

Фоторезистордан шығатын бір сымды Arduino 5В қуат шығысына қосыңыз. Басқа сымды фоторезистордан порттағы Arduino аналогының біріне апаратын сымға қосыңыз. Содан кейін, параллель 10 кило-Ом резисторды қосып, резисторды Arduino жерге қосылымына қосыңыз. Соңғы сурет бұл байланыстардың қалай жасалатынын тұжырымдамалық түрде көрсетеді (circuit.io несиесі).

11 -қадам: Барлық компоненттерді Arduino -ға қосыңыз

Компьютеріңізді Arduino -ға қосыңыз және оған бекітілген кодты жүктеңіз. Сіз кодты жүктегеннен кейін оны қажеттіліктеріңізге және қалауыңызға сәйкес реттей аласыз. Қазіргі уақытта Arduino әр іске қосылған сайын 125 өлшеуді қабылдайды (ол да осы өлшемдердің соңында орташа мәнді алады) және оның аналогы сигнал A2 -ге әкеледі. Кодтың жоғарғы жағында сіз үлгі атауын және үлгі күнін өзгерте аласыз. Нәтижелерді қарау үшін Arduino жұмыс үстелі интерфейсінің оң жақ жоғарғы жағындағы сериялық монитор түймесін басыңыз.

Бұл сәл шатастырылған болса да, мен Arduino схемасының әр компонентін қалай қосуды аяқтағанымды көре аласыз. Мен екі тақтаны қолдандым, бірақ сіз тек біреуін оңай жасай аласыз. Сонымен қатар, менің жарықдиодты жарық көзі Arduino -ға қосылған, бірақ қаласаңыз, сіз басқа қуат көзін қолдана аласыз.

12 -қадам: Үлгі ұстағышты файл қорапшасының корпусына салыңыз

Үйдегі спектрофотометрді жасаудың соңғы қадамы - үлгіні ұстағышты файл қорабының корпусына орналастыру. Мен фоторезистордан сымдарды өткізу үшін файл қорабындағы кішкене тесікті кесіп алдым. Мен бұл соңғы қадамды ғылымнан гөрі өнер ретінде қарастырдым, себебі жүйенің әрбір компонентінің алдын ала орналасуы файл қораптарының корпусындағы үлгі ұстаушының орналасуына әсер етеді. Үлгі ұстағышты үлгінің ұстағышындағы саңылауды жарықтың жеке түсімен туралайтындай етіп орналастырыңыз. Мысалы, сіз Arduino -ді қызғылт сары және жасыл жарық жарықтың екі жағына түсетіндей етіп орналастыра аласыз, ал фоторезисторға тек сары жарық өтеді. Үлгі ұстағыштың саңылауынан тек бір түсті жарық өтетін орынды тапқаннан кейін, бір -бірінің түсіне сәйкес орындарды анықтау үшін үлгіні ұстаушыны бүйірге жылжытыңыз (есте сақтаңыз, ROYGBV). Қарындашпен фоторезисторға жарықтың бір ғана түсі түсетін жерлерді белгілеу үшін файл қорапшасының астыңғы жағына түзу сызықтар жүргізіңіз. Оқу кезінде осы белгілерден ауытқып кетпеуім үшін үлгі ұстаушының алдында және артында екі Дженга блогын таспаға жаптым.

13 -қадам: Үйдегі спектрофотометрді сынап көріңіз - спектр құрыңыз

Мен үйдегі спектрофотометрмен бірнеше сынақтар өткіздім. Эколог -инженер ретінде мен судың сапасына қызығамын және үйімнің жанындағы шағын ағыннан су сынамасын алдым. Үлгілерді алу кезінде сіз таза контейнерді қолданғаныңыз және сынама алу кезінде контейнердің артында тұруыңыз маңызды. Үлгінің артында тұру (яғни, қабылдау нүктесінің төменгі жағында) сіздің үлгінің ластануын болдырмауға көмектеседі және сіздің ағындағы белсенділіктің үлгіге әсер ету дәрежесін төмендетеді. Бір үлгіде (А үлгісі) мен Miracle-Gro аз мөлшерін қостым (үйдегі өсімдіктер үшін қолайлы мөлшер, менің үлгінің көлемін ескере отырып), ал басқа үлгіде мен ештеңе қоспадым (В үлгісі). Мен бұл үлгілерді фотосинтез үшін қақпақтары жоқ жақсы жарықтандырылған бөлмеде отырғыздым (газ алмасу үшін қақпақтарды жабық ұстау). Көріп отырғаныңыздай, суреттерде Miracle-Gro қосылған үлгі жасыл платонды балдырларға қаныққан, ал Miracle-Gro жоқ үлгі шамамен 15 күннен кейін айтарлықтай өскен жоқ. Ол балдырлармен қаныққан соң, мен 50 мл конустық түтіктердегі А үлгісін сұйылттым және оларды қақпағы жоқ жақсы жарықтандырылған бөлмеде қалдырдым. Шамамен 5 күннен кейін олардың түсінде айтарлықтай айырмашылықтар пайда болды, бұл балдырлардың өсуін көрсетеді. Өтінішке орай, төрт сұйылтудың бірі жоғалды.

Балдырлардың ластанған тұщы суларда өсетін түрлері бар. Мен балдырларды микроскоппен суретке түсірдім және олар хлорококк немесе хлорелла деп ойлаймын. Балдырлардың кем дегенде тағы бір түрі бар сияқты. Егер сіз осы түрлерді анықтай алатын болсаңыз, маған хабарлаңыз!

Балдырларды А үлгісінде өсіргеннен кейін мен оның кішкене үлгісін алып, оны үйдегі спектрофотометрдегі пробиркаға қостым. Мен жарықтың әр түсі үшін Arduino шығарылымын жаздым және әр шығуды әр түс диапазонының орташа толқын ұзындығымен байланыстырдым. Бұл:

Қызыл жарық = 685 нм

Қызғылт сары жарық = 605 нм

Сары жарық = 580 нм

Жасыл жарық = 532,5 нм

Көк жарық = 472,5 нм

Күлгін жарық = 415 нм

Мен сондай -ақ Arduino -ның жарық түсінің әр түсі үшін үлгіні ұстағышқа Deer Park суының үлгісін салған кезде жазып алдым.

Сыра заңын қолдана отырып, мен әрбір өлшеу үшін абсорбция мәнін Deep Park су сіңіргіштігінің үлестірімінің 10 үлгісінің логарифмін A үлгісінің абсорбциясына бөлу арқылы есептедім. Мен абсорбция мәндерін ең төменгі мәннің сіңіру қабілеті нөлге тең етіп өзгерттім және нәтижелерді сыздым. Пигменттердің түрлерін табуға тырысу үшін сіз бұл нәтижелерді қарапайым пигменттердің сіңіру спектрімен салыстыра аласыз (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Балдырлар әлемі. Жасушалық шығу тегі, экстремалды тіршілік ортасындағы өмір және астробиология.). балдырлар үлгісінде бар.

14 -қадам: Үйдегі спектрофотометрді тексеріңіз - дезинфекциялық эксперимент

Үйде жасалған спектрофотометр көмегімен әр түрлі әрекеттерді орындауға болады. Мұнда мен ағартқыштың әр түрлі концентрациясына ұшыраған кезде балдырлардың қалай ыдырайтынын көру үшін эксперимент жүргіздім. Мен натрий гипохлоритінің концентрациясы 2,40%болатын өнімді қолдандым. Мен 50 мл конустық түтіктерге 50 мл А үлгісін қосудан бастадым. Мен содан кейін үлгілерге ағартқыш ерітіндінің әр түрлі мөлшерін қостым және спектрофотометр көмегімен өлшедім. Үлгілерге 4 мл және 2 мл ағартқыш ерітіндінің қосылуы сынамалардың дереу тазаруына әкелді, бұл дереу балдырларды дезинфекциялауды және сөндіруді көрсетеді. Үлгілерге ағартқыш ерітіндінің тек 1 мл және 0,5 мл (шамамен 15 тамшыдан тамшылатып) қосылуы уақыт функциясы ретінде үйдегі спектрофотометр мен модельдік ыдырауды қолдана отырып өлшеулер жүргізуге жеткілікті уақыт берді. Мұны жасамас бұрын, мен ағартқыш ерітіндінің спектрін құру үшін соңғы қадамдағы процедураны қолдандым және қызыл сәуледегі ерітіндінің толқын ұзындығы жеткілікті төмен екенін анықтадым, сондықтан қызыл толқын ұзындығында сіңіргіштік көмегімен балдырларды сөндіруге шамалы кедергі болатынын анықтадым. жарық. Қызыл шамда Arduino фондық көрсеткіші 535 [-] болды. Бірнеше өлшемдерді алып, Сыра заңын қолдану маған көрсетілген екі қисықты құруға мүмкіндік берді. Абсорбция мәндері ең төменгі сіңірілетін мән 0 болатындай ығысқанын ескеріңіз.

Егер гемоцитометр бар болса, болашақ эксперименттер А үлгісіндегі жасуша концентрациясына сіңімділікті байланыстыратын сызықтық регрессияны жасау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл қатынасты Уотсон-Крик теңдеуінде балдырларды ағартқыш көмегімен сөндіру үшін CT мәнін анықтау үшін қолдануға болады..

15 -қадам: негізгі шешімдер

Бұл жоба арқылы мен экологиялық биология мен экологияның негізгі принциптері туралы білімімді өстім. Бұл тәжірибе су ортасында фотоавтотрофтардың өсуі мен ыдырауы кинетикасы туралы түсінігімді одан әрі дамытуға мүмкіндік берді. Сонымен қатар, мен спектрофотометр сияқты құралдардың жұмыс істеуіне мүмкіндік беретін механизмдер туралы көбірек біле отырып, қоршаған ортаны іріктеу мен талдау әдістерін қолдандым. Микроскоп астында үлгілерді талдай отырып, мен организмдердің микроортасы туралы көбірек білдім және жеке түрлердің физикалық құрылымдарымен таныстым.