Տնական Jenga Block սպեկտրոտրաչափ ՝ ջրիմուռների փորձերի համար. 15 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:46

Alրիմուռները ֆոտոսինթեզող պրոտիստներ են և, որպես այդպիսին, կարևոր օրգանիզմներ են ջրային սննդի շղթաներում: Այնուամենայնիվ, գարնան և ամռան ամիսներին այս և այլ միկրոօրգանիզմները կարող են բազմապատկել և գերակշռել բնական ջրային ռեսուրսները ՝ հանգեցնելով թթվածնի սպառման և թունավոր նյութերի արտադրության: Այս օրգանիզմների աճի տեմպերը հասկանալը կարող է օգտակար լինել ջրային ռեսուրսները պաշտպանելու, ինչպես նաև նրանց հզորությունն օգտագործող տեխնոլոգիաներ մշակելու համար: Բացի այդ, այս օրգանիզմների ապակտիվացման արագությունը հասկանալը կարող է օգտակար լինել ջրի և կեղտաջրերի մաքրման համար: Այս հետաքննության ընթացքում ես կփորձեմ կառուցել էժան սպեկտրոֆոտոմետր `վերլուծելու Քենս քլորային սպիտակեցման ենթարկված օրգանիզմների քայքայման արագությունը ջրի մեջ, որը վերցված է Պարկ Փրիկից Հորշեմում, Փենսիլվանիա: Տեղանքից հավաքված առվի ջրի նմուշը պարարտացվելու է սննդարար խառնուրդով և թողնելու արևի լույսի ներքո `ջրիմուռների աճը խթանելու համար: Տնական սպեկտրոֆոտոմետրը թույլ կտա առանձին ալիքների երկարությունների լույսը անցնել նմուշի սրվակի միջով, նախքան Arduino- ի միացմանը միացված ֆոտոռեզիստորի կողմից հայտնաբերվելը: Նմուշում օրգանիզմների խտության մեծացման հետ մեկտեղ ակնկալվում է, որ նմուշի կողմից կլանված լույսի քանակը կավելանա: Այս վարժությունը կընդգծի էլեկտրոնիկայի, օպտիկայի, կենսաբանության, էկոլոգիայի և մաթեմատիկայի հասկացությունները:

Ես մշակել եմ իմ սպեկտրոֆոտոմետրի գաղափարը Satchelfrost- ի Instructable “Student Spectrophotometer”-ից և Daniel A Albert- ի, Michael A. Todt- ի և H. Floyd Davis- ի “A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer” թերթից:

Քայլ 1: Ստեղծեք ձեր լուսային ուղու շրջանակը:

Այս հրահանգի առաջին քայլը Jenga- ի վեց բլոկներից և ժապավենից լուսավոր ուղու շրջանակի ստեղծումն է: Լույսի ուղու շրջանակը կօգտագործվի լույսի աղբյուրի, խոշորացման սարքի և CD դիֆրակցիոն քերիչների տեղադրման և պահպանման համար: Ստեղծեք երկու երկար ժապավեն ՝ երեք Jenga բլոկը կպցնելով տողում, ինչպես ցույց է տրված առաջին նկարում: Կպցրեք այս շերտերը միասին, ինչպես ցույց է տրված երկրորդ լուսանկարում:

Քայլ 2. Ստեղծեք հիմք ձեր խոշորացման սարքի համար և ամրացրեք այն լուսավոր ուղու շրջանակին:

Խոշորացման սարքը կցվելու է լուսային ուղու շրջանակին և կենտրոնացնելու է LED- ի կողմից արձակվող լույսը, նախքան ձայնասկավառակից ցրվելը: Կպչեք Jenga- ի երկու բլոկներով այնպես, որ մեկ բլոկի կեսը գտնվում է մեկ այլ բլոկի վերջի նկատմամբ ճիշտ անկյան տակ, ինչպես ցույց է տրված առաջին նկարում: Կցեք խոշորացման սարքը այս հիմքի վրա ՝ օգտագործելով ժապավենը, ինչպես ցույց է տրված երրորդ նկարում: Ես օգտագործեցի փոքր, էժան խոշորացույց, որն ունեի արդեն մի քանի տարի: Խոշորացման սարքը հիմքին ամրացնելուց հետո ես խոշորացույցը կպցրի լուսային ուղու շրջանակին: Ես տեղադրեցի իմ խոշորացույցի սարքը լուսային ուղու շրջանակից 13,5 սմ հեռավորության վրա, բայց գուցե անհրաժեշտ լինի ձեր սարքը այլ դիրքում ամրացնել ՝ կախված խոշորացույցի կիզակետային երկարությունից:

Քայլ 3: Ստեղծեք ձեր լույսի աղբյուրը:

Չկենտրոնացված լույսի քանակը սահմանափակելու համար, որը կարող է հասնել CD- ի դիֆրակցիոն ճաղավանդակին և ֆոտոընդդիմադրիչին, ես էլեկտրական ժապավենով ամրացրեցի սպիտակ LED լամպը սև գրիչի գլխարկի ներսում, որը վերևում փոքր անցք ուներ: Առաջին պատկերը ցույց է տալիս LED- ը, երկրորդում `LED- գրիչի կափարիչը: Ես օգտագործել եմ փոքր կտոր էլեկտրական ժապավեն, որպեսզի թույլ չտամ լույսը լուսավորել LED- ի հետևի մասից, որտեղ գտնվում են անոդը և կաթոդի լարերը:

LED- գրիչի գլխարկը ստեղծելուց հետո ես LED- ը կցեցի 220 օմ դիմադրիչի և էներգիայի աղբյուրի: Ես LED- ը միացրեցի Arduino Uno միկրոկառավարիչի 5V և ստորգետնյա միացումներին, բայց ցանկացած արտաքին հոսանքի աղբյուր կարող է օգտագործվել: Ռեզիստորը կարեւոր է, որպեսզի կանխվի LED լույսի այրումը:

Քայլ 4. Ապահովեք լույսի աղբյուրը Լույսի ուղու շրջանակին:

Կասեցրեք Jenga- ի մեկ այլ բլոկ `լուսային ուղու շրջանակի վերջի մոտ` լույսի աղբյուրի համար հարթակ ապահովելու համար: Իմ տեղադրման ընթացքում, Jenga բլոկը, որն ապահովում է լույսի աղբյուրը, տեղադրված էր լուսային ուղու շրջանակի եզրից մոտ 4 սմ հեռավորության վրա: Ինչպես ցույց է տրված երկրորդ նկարում, լույսի աղբյուրի ճիշտ տեղադրումն այնպիսին է, որ լույսի ճառագայթը կենտրոնանում է խոշորացման սարքի միջոցով լուսային ուղու շրջանակի հակառակ ծայրում, որտեղ կլինի CD- ի դիֆրակցիոն քերիչը:

Քայլ 5. Տեղադրեք Light Path շրջանակը, խոշորացման սարքը և լույսի աղբյուրը File Box պատյանում:

Որպես պատյան ՝ սպեկտրոֆոտոմետրի յուրաքանչյուր բաղադրիչ պահելու համար օգտագործեք ֆայլերի տուփ կամ անթափանց կողմերով փակվող այլ տարա: Ինչպես ցույց է տրված նկարում, ես ժապավենով ապահովեցի ֆայլի տուփի պատյանում լուսային ուղու շրջանակը, խոշորացման սարքը և լույսի աղբյուրը: Ես օգտագործեցի Jenga- ի մեկ բլոկ `լուսատուի շրջանակը տարածության համար մոտ 2,5 սմ հեռավորության վրա, ֆայլերի տուփի ներքին պատի եզրից (Jenga բլոկը միայն օգտագործվում էր տարածության համար և հետագայում հեռացվեց):

Քայլ 6. Կտրեք և տեղադրեք CD- ի դիֆրակցիոն ճաղավանդակը:

Օգտագործեք հոբբիի դանակ կամ մկրատ `ձայնասկավառակը կտրելու համար քառակուսի` արտացոլող երեսով և մոտ 2,5 սմ երկարությամբ կողմերով: CD- ն Jenga բլոկին ամրացնելու համար օգտագործեք ժապավեն: Խաղացեք Jenga բլոկի և CD դիֆրակցիոն քերիչների տեղադրման հետ այնպես, որ այն տեղադրվի այնպես, որ ծիածան առաջադրվի ֆայլերի տուփի պատյանների հակառակ պատին, երբ LED աղբյուրից լույսը դիպչի դրան: Կցված պատկերները ցույց են տալիս, թե ինչպես եմ ես տեղադրել այս բաղադրիչները: Կարևոր է, որ նախագծված ծիածանը համեմատաբար հարթ լինի, ինչպես ցույց է տրված վերջին նկարում: Ֆայլերի տուփի պատի ներսում գծագրի և մատիտի ուրվագիծը կարող է օգնել որոշելու, թե երբ է պրոյեկցիան հարթ:

Քայլ 7: Ստեղծեք նմուշի սեփականատեր:

Տպեք կցված փաստաթուղթը և թուղթը կպցրեք կամ կպցրեք ստվարաթղթի վրա: Ստվարաթուղթը խաչաձեւ կտրելու համար օգտագործեք զույգ մկրատ կամ հոբբի դանակ: Ստվարաթուղթը տպեք գծերի երկայնքով խաչի կենտրոնում: Բացի այդ, ստվարաթղթե խաչի երկու թևերի մեջտեղում հավասար բարձրության վրա փոքր ճեղքեր կտրեք, ինչպես ցույց է տրված. այս ճեղքերը թույլ կտան լույսի առանձին ալիքների երկարություններ անցնել նմուշից դեպի ֆոտոընդդիմադիր: Ես օգտագործեցի ժապավեն, որն օգնում էր ստվարաթուղթն ավելի ամուր դարձնել: Ստվարաթուղթը ծալեք պատյանների երկայնքով և կպցրեք այն այնպես, որ ձևավորվի ուղղանկյուն նմուշի ամրակ: Փորձանմուշը պետք է սերտորեն տեղավորվի ապակե փորձանոթի շուրջ:

Քայլ 8. Ստեղծեք և ամրացրեք նմուշի սեփականատիրոջ համար հիմք:

Կպչեք Jenga- ի երեք բլոկներով և ամրացրեք հավաքածուն նմուշի ամրակին, ինչպես ցույց է տրված: Համոզվեք, որ կցորդը բավականաչափ ամուր է, որպեսզի ստվարաթղթե նմուշակալը չի առանձնանում Jenga բլոկի հիմքից, երբ փորձանոթը դուրս է բերվում նմուշի պահարանից:

Քայլ 9. Ավելացրեք ֆոտոռեզիստորը նմուշի սեփականատիրոջը:

Ֆոտոռեզիստորները լուսահաղորդիչ են և նվազեցնում են դիմադրողականության չափը, երբ լույսի ուժգնությունը մեծանում է: Ես ֆոտոռեզիստորը կպցրի փոքր, փայտե պատյանին, բայց պատյանը անհրաժեշտ չէ: Կպչեք հետևի ֆոտոընդդիմադրիչին այնպես, որ նրա զգայուն դեմքը տեղադրվի անմիջապես նմուշի ամրակի ձեր կտրած ճեղքի դեմ: Փորձեք տեղադրել ֆոտոռեզիստորը այնքան, որքան հնարավոր է, որ լույսը դիպչի դրան նմուշից և նմուշի սեփականատիրոջ ճեղքերից անցնելուց հետո:

Քայլ 10: Լարեք ֆոտոռեզիմադրիչը:

Արդուինոյի շղթայում ֆոտոռեզիստորը միացնելու համար ես սկզբում կտրեցի և հանեցի հին USB տպիչի մալուխի լարերը: Ես երեք բլոկ կպցրի, ինչպես ցույց է տրված, և այնուհետև ամրացրած լարերը կցեցի այս հիմքին: Օգտագործելով երկու հետույքի միացում, ես USB տպիչի մալուխի լարերը միացրեցի ֆոտոընդդիմադրիչի տերմինալներին և ամրացրեցի հիմքերը ՝ կազմելով մեկ միավոր (ինչպես ցույց է տրված չորրորդ նկարում): Տպիչի մալուխի լարերի փոխարեն կարող են օգտագործվել ցանկացած երկար լարեր:

Միացրեք մի լար, որը բխում է ֆոտոընդդիմադրիչից Arduino- ի 5V հոսանքի հզորությանը: Մյուս մետաղալարը միացրեք ֆոտոընդդիմադրիչից մի պարանին, որը տանում է դեպի Arduino- ի անալոգներից մեկը: Այնուհետեւ, զուգահեռաբար ավելացրեք 10 կիլո-օմ դիմադրություն եւ միացրեք դիմադրիչը Arduino- ի գրունտային միացմանը: Վերջին պատկերը հայեցակարգային կերպով ցույց է տալիս, թե ինչպես կարող են կատարվել այդ կապերը (վարկ ՝ circuit.io):

Քայլ 11: Միացրեք բոլոր բաղադրիչները Arduino- ին:

Միացրեք ձեր համակարգիչը Arduino- ին և վերբեռնեք դրան կցված կոդը: Երբ ներբեռնեք ծածկագիրը, կարող եք այն հարմարեցնել ձեր կարիքներին և նախասիրություններին համապատասխան: Ներկայումս Arduino- ն ամեն անգամ գործարկելիս կատարում է 125 չափում (վերջում նաև միջինում է տալիս այդ չափումները), և ազդանշանի անալոգը տանում է դեպի A2: Կոդի վերևում կարող եք փոխել ձեր նմուշի անունը և նմուշի ամսաթիվը: Արդյունքները դիտելու համար սեղմեք Arduino աշխատասեղանի միջերեսի վերևի աջ մասում գտնվող սերիական մոնիտորի կոճակը:

Թեև դա մի փոքր խառնաշփոթ է, բայց կարող եք տեսնել, թե ինչպես ես ավարտեցի Arduino- ի միացման յուրաքանչյուր բաղադրիչի միացումը: Ես օգտագործել եմ երկու տախտակ, բայց դու հեշտությամբ կարող ես դա անել միայն մեկի հետ: Բացի այդ, իմ LED լույսի աղբյուրը միացված է Arduino- ին, բայց եթե նախընտրում եք, կարող եք դրա համար օգտագործել այլ էներգիայի աղբյուր:

Քայլ 12. Տեղադրեք ձեր նմուշի սեփականատերը Ֆայլերի տուփի պատյանում:

Ձեր տնական սպեկտրաչափաչափ ստեղծելու վերջին քայլը նմուշի պահոցը տեղադրել տուփի պատյանում: Ես կտրեցի մի փոքր ճեղք ֆայլերի տուփի մեջ, որպեսզի ֆոտոռեզիստորից հաղորդվող լարերը անցնեմ այնտեղ: Այս վերջին քայլին ես վերաբերվեցի որպես ավելի շատ որպես արվեստ, քան որպես գիտություն, քանի որ համակարգի յուրաքանչյուր բաղադրիչի նախնական տեղադրումը կազդի ֆայլերի տուփի պատյանում նմուշի սեփականատիրոջ դիրքի վրա: Տեղադրեք նմուշի կրիչը այնպես, որ կարողանաք նմուշի կրիչի ճեղքը հավասարեցնել լույսի առանձին գույնի հետ: Օրինակ, դուք կարող եք տեղադրել Arduino- ն այնպես, որ նարնջագույն և կանաչ լույսերը դուրս գան ճեղքի երկու կողմերից, մինչդեռ միայն դեղին լույսն է անցքից անցնում ֆոտոընդդիմադրիչին: Երբ գտաք մի վայր, որտեղ լույսի միայն մեկ գույն է անցնում նմուշի կրիչի ճեղքով, նմուշը պահեք կողքով `միմյանց համար համապատասխան տեղերը որոշելու համար (հիշեք, ROYGBV): Մատիտով գծեք տուփի պատյան ներքևի մասի ուղիղ գծեր `նշելու այն վայրերը, որտեղ լույսի միայն մեկ գույնն է կարողանում հասնել ֆոտոընդդիմադիրին: Ես ժապավենով ամրացրել եմ Jenga- ի երկու բլոկներ նմուշակալի առջևի և հետևի մասում `համոզվելու համար, որ ընթերցումներ կատարելիս ես չեմ շեղվել այս գծանշումներից:

Քայլ 13. Փորձարկեք ձեր տնական սպեկտրաչափաչափը - ստեղծեք սպեկտր:

Ես մի քանի փորձարկումներ կատարեցի իմ տնական սպեկտրոֆոտոմետրով: Որպես բնապահպանական ինժեներ, ես հետաքրքրված եմ ջրի որակով և իմ տան մոտից վերցրել եմ ջրի նմուշներ: Նմուշներ վերցնելիս կարևոր է, որ դուք օգտագործում եք մաքուր տարա և նմուշառման ընթացքում կանգնած եք տարայի հետևում: Նմուշի հետևում կանգնելը (այսինքն ՝ հավաքման կետի հոսանքն ի վար) օգնում է կանխել ձեր նմուշի աղտոտումը և նվազեցնում է հոսքի վրա ձեր գործունեության աստիճանը նմուշի վրա: Մեկ նմուշում (Նմուշ A) ես ավելացրեցի մի փոքր քանակությամբ Miracle-Gro (փակ բույսերի համար համապատասխան քանակություն ՝ հաշվի առնելով իմ նմուշի ծավալը), իսկ մյուս նմուշում ես ոչինչ չավելացրեցի (B նմուշ): Ես թողեցի, որ այս նմուշները նստեն լավ լուսավորված սենյակում ՝ առանց կոպերի, որպեսզի թույլ տան ֆոտոսինթեզը (թույլ չտալով, որ կափարիչները թույլատրվեն գազի փոխանակման համար): Ինչպես տեսնում եք, նկարներում Miracle-Gro- ով լրացված նմուշը հագեցած է կանաչ պլատոնական ջրիմուռներով, մինչդեռ առանց Miracle-Gro- ի նմուշը մոտ 15 օր հետո որևէ էական աճ չի ապրել: Alրիմուռներով հագեցվելուց հետո ես նմուշ A- ի մի մասը նոսրացրեցի 50 մլ կոնաձև խողովակների մեջ և թողեցի նույն լավ լուսավորված սենյակում ՝ առանց կոպերի: Մոտ 5 օր անց դրանց գույնի մեջ արդեն նկատելի տարբերություններ կային, ինչը վկայում էր ջրիմուռների աճի մասին: Նկատի ունեցեք, որ չորս նոսրացումներից մեկը, ցավոք, կորել է այդ գործընթացում:

Կան ջրիմուռների տարբեր տեսակներ, որոնք աճում են աղտոտված քաղցրահամ ջրերում: Ես լուսանկարել եմ ջրիմուռները մանրադիտակով և կարծում եմ, որ դրանք կամ քլորոկոկ են, կամ քլորելլա: Թվում է, որ առկա է նաև ջրիմուռների առնվազն մեկ այլ տեսակ: Խնդրում եմ ինձ տեղյակ պահեք, եթե կարողանաք նույնականացնել այս տեսակները:

Նմուշ A- ում ջրիմուռները աճեցնելուց հետո ես վերցրեցի դրա մի փոքր նմուշ և ավելացրեցի այն փորձանոթի մեջ `տնական սպեկտրոֆոտոմետրում: Ես գրանցեցի Arduino- ի արդյունքները լույսի յուրաքանչյուր գույնի համար և յուրաքանչյուր ելք կապեցի յուրաքանչյուր գունային տիրույթի միջին ալիքի երկարության հետ: Այն է:

Կարմիր լույս = 685 նմ

Նարնջագույն լույս = 605 նմ

Դեղին լույս = 580 նմ

Կանաչ լույս = 532.5 նմ

Կապույտ լույս = 472,5 նմ

Մանուշակագույն լույս = 415 նմ

Ես նաև գրանցեցի Arduino- ի արդյունքները լույսի յուրաքանչյուր գույնի համար, երբ եղջերու այգու ջրի նմուշը դրվեց նմուշի կրիչի մեջ:

Օգտագործելով Գարեջրի օրենքը, ես հաշվարկեցի յուրաքանչյուր չափման կլանման արժեքը `հաշվի առնելով Deep Park- ի ջրի կլանման գործակցի 10-ական լոգարիթմը, որը բաժանված է Նմուշ A- ի կլանման վրա: Ես ներծծման արժեքները տեղափոխեցի այնպես, որ ամենացածր արժեքի ներծծումը զրոյական էր և գծագրեցի արդյունքները: Այս արդյունքները կարող եք համեմատել սովորական պիգմենտների ներծծման սպեկտրի հետ (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) Փորձելու համար կռահել պիգմենտների տեսակները պարունակվում է ջրիմուռների նմուշում:

Քայլ 14. Փորձարկեք ձեր տնական սպեկտրոֆոտոմետրը `ախտահանման փորձ:

Ձեր տնական սպեկտրոֆոտոմետրով կարող եք կատարել մի շարք տարբեր գործողություններ: Այստեղ ես անցկացրեցի մի փորձ `տեսնելու, թե ինչպես են ջրիմուռները քայքայվում, երբ ենթարկվում են սպիտակեցման տարբեր կոնցենտրացիաների: Ես օգտագործել եմ նատրիումի հիպոքլորիտի (այսինքն ՝ սպիտակեցնող) կոնցենտրացիայով ապրանք ՝ 2.40%: Ես սկսեցի 50 մլ նմուշ A ավելացնելով 50 մլ կոնաձև խողովակների վրա: Հետո ես ավելացրեցի տարբեր քանակությամբ սպիտակեցնող լուծույթ նմուշներին և չափումներ կատարեցի `օգտագործելով սպեկտրոֆոտոմետրը: Նմուշներին սպիտակեցնող 4 մլ և 2 մլ լուծույթի ավելացումն առաջացրել է նմուշների գրեթե անմիջապես մաքրում `նշելով ջրիմուռների գրեթե անմիջական ախտահանման և ապաակտիվացման մասին: Նմուշներին սպիտակեցնող լուծույթի ավելացումն ընդամենը 1 մլ և 0.5 մլ (մոտավորապես մի կաթիլից 15 կաթիլ), թույլ տվեց բավականաչափ ժամանակ չափումներ կատարել `օգտագործելով տնական սպեկտրոֆոտոմետրը և մոդելի քայքայումը` որպես ժամանակի ֆունկցիա: Մինչև դա անելը, ես օգտագործել էի վերջին քայլին ընթացակարգը `սպիտակեցնող լուծույթի սպեկտր կառուցելու համար և որոշեցի, որ կարմիր լույսի ներքո լուծույթի ալիքի երկարությունը այնքան ցածր է, որ փոքր միջամտություն կլինի կարմիր ալիքի երկարություններում կլանման ջրիմուռների անջատման մոտավորացմանը: լույս Կարմիր լույսի ներքո Arduino- ի ֆոնային ընթերցումը 535 էր [-]: Մի քանի չափումներ կատարելը և Գարեջրի օրենքի կիրառումը թույլ տվեցին կառուցել ցուցադրված երկու կորերը: Նշենք, որ կլանման արժեքները տեղափոխվել են այնպես, որ ամենացածր կլանված արժեքը 0 -ն է:

Եթե առկա է հեմոցիտոմետր, ապագա փորձերը կարող են օգտագործվել գծային ռեգրեսիայի զարգացման համար, որը կապում է ներծծումը Ա-ի բջիջների կոնցենտրացիային: Այս հարաբերությունները կարող են օգտագործվել Watson-Crick- ի հավասարման մեջ `սպիտակեցման միջոցով ջրիմուռների անջատման CT արժեքի որոշման համար:.

Քայլ 15: Հիմնական ձեռնարկներ

Այս ծրագրի միջոցով ես իմ գիտելիքները բարձրացրեցի շրջակա միջավայրի կենսաբանության և էկոլոգիայի համար հիմնարար սկզբունքների վերաբերյալ: Այս փորձը թույլ տվեց հետագայում զարգացնել իմ ընկալումը ջրային միջավայրերում ֆոտոավոտրոֆների աճի և քայքայման կինետիկայի վերաբերյալ: Բացի այդ, ես կիրառեցի շրջակա միջավայրի նմուշառման և վերլուծության տեխնիկա ՝ միաժամանակ ավելին իմանալով այն մեխանիզմների մասին, որոնք թույլ են տալիս աշխատել սպեկտրոֆոտոմետրերի նման գործիքների վրա: Մանրադիտակի տակ նմուշները վերլուծելիս ես ավելին իմացա օրգանիզմների միկրո միջավայրի մասին և ծանոթացա առանձին տեսակների ֆիզիկական կառուցվածքին: