Spettrofotometro a blocchi Jenga fatto in casa per esperimenti con le alghe: 15 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Le alghe sono protisti fotosintetici e, in quanto tali, sono organismi fondamentali nelle catene alimentari acquatiche. Durante i mesi primaverili ed estivi, tuttavia, questi e altri microrganismi possono moltiplicarsi e sopraffare le risorse idriche naturali, determinando l'esaurimento dell'ossigeno e la produzione di sostanze tossiche. Comprendere la velocità di crescita di questi organismi può essere utile per proteggere le risorse idriche e per sviluppare tecnologie che ne sfruttino la potenza. Inoltre, comprendere la velocità con cui questi organismi vengono disattivati può essere utile nel trattamento delle acque e delle acque reflue. In questa indagine, cercherò di costruire uno spettrofotometro a basso costo per analizzare i tassi di decadimento degli organismi esposti alla candeggina al cloro nell'acqua campionata da Park Creek a Horsham, in Pennsylvania. Un campione di acqua del torrente raccolto dal sito sarà fertilizzato con una miscela di nutrienti e lasciato alla luce del sole per favorire la crescita delle alghe. Lo spettrofotometro fatto in casa consentirà alla luce a lunghezze d'onda discrete di passare attraverso una fiala del campione prima di essere rilevata da una fotoresistenza collegata a un circuito Arduino. All'aumentare della densità degli organismi nel campione, si prevede che la quantità di luce assorbita dal campione aumenti. Questo esercizio enfatizzerà concetti di elettronica, ottica, biologia, ecologia e matematica.

Ho sviluppato l'idea per il mio spettrofotometro dall'Instructable "Student Spectrophotometer" di Satchelfrost e dal documento "A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer" di Daniel R. Albert, Michael A. Todt e H. Floyd Davis.

Passaggio 1: crea la cornice del tuo percorso di luce

Il primo passo in questo Instructable è creare una cornice del percorso luminoso da sei blocchi Jenga e nastro. La cornice del percorso ottico verrà utilizzata per posizionare e supportare la sorgente luminosa, il dispositivo di ingrandimento e il reticolo di diffrazione del CD. Crea due strisce lunghe attaccando tre blocchi Jenga in una linea come mostrato nella prima immagine. Fissa insieme queste strisce come mostrato nella seconda foto.

Passaggio 2: crea una base per il tuo dispositivo di ingrandimento e collegalo al telaio del percorso luminoso

Il dispositivo di ingrandimento sarà fissato al telaio del percorso ottico e concentrerà la luce emessa dal LED prima di diffrangere il CD. Attacca insieme due blocchi Jenga in modo che il centro di un blocco sia ad angolo retto rispetto alla fine di un altro blocco, come mostrato nella prima immagine. Attacca il dispositivo di ingrandimento a questa base usando il nastro come mostrato nella terza immagine. Ho usato una piccola lente d'ingrandimento economica che ho avuto per diversi anni. Dopo aver collegato il dispositivo di ingrandimento alla sua base, ho fissato il dispositivo di ingrandimento al telaio del percorso ottico. Ho posizionato il mio dispositivo di ingrandimento a 13,5 cm di distanza dal bordo della cornice del percorso ottico, ma potrebbe essere necessario fissare il dispositivo in una posizione diversa a seconda della lunghezza focale della lente di ingrandimento.

Passaggio 3: crea la tua fonte di luce

Per limitare la quantità di luce non concentrata che può raggiungere il reticolo di diffrazione CD e la fotoresistenza, ho usato del nastro isolante per fissare una lampadina a LED bianca all'interno di un cappuccio nero della penna che aveva un piccolo foro nella parte superiore. La prima immagine mostra il LED, la seconda immagine mostra il cappuccio della penna LED con nastro adesivo. Ho usato piccoli pezzi di nastro isolante per evitare che la luce provenisse dal retro del LED dove si trovano i fili dell'anodo e del catodo.

Dopo aver creato il cappuccio della penna LED, ho collegato il LED a un resistore da 220 ohm e a una fonte di alimentazione. Ho collegato il LED alle connessioni 5V e di terra di un microcontrollore Arduino Uno, ma è possibile utilizzare qualsiasi fonte di alimentazione CC esterna. La resistenza è importante per evitare che la luce LED si bruci.

Passaggio 4: fissare la sorgente luminosa al telaio del percorso luminoso

Nastro un altro blocco Jenga vicino alla fine del telaio del percorso ottico per fornire una piattaforma per la fonte di luce. Nel mio allestimento, il blocco Jenga che sostiene la sorgente luminosa è stato posizionato a circa 4 cm dal bordo del telaio del percorso ottico. Come mostrato nella seconda immagine, il corretto posizionamento della sorgente di luce è tale che il raggio di luce si focalizzi attraverso il dispositivo di ingrandimento all'estremità opposta del fotogramma del percorso ottico dove sarà il reticolo di diffrazione del CD.

Passaggio 5: posizionare la cornice del percorso luminoso, il dispositivo di ingrandimento e la sorgente luminosa nell'involucro della casella dei file

Utilizzare una scatola di file o un altro contenitore sigillabile con lati opachi come involucro per contenere ciascuno dei componenti dello spettrofotometro. Come mostrato nella figura, ho utilizzato del nastro adesivo per fissare la cornice del percorso ottico, il dispositivo di ingrandimento e la sorgente luminosa nell'involucro della scatola degli archivi. Ho usato un blocco Jenga per distanziare il telaio del percorso ottico a circa 2,5 cm di distanza dal bordo della parete interna del raccoglitore (il blocco Jenga è stato utilizzato esclusivamente per la spaziatura ed è stato successivamente rimosso).

Passaggio 6: tagliare e posizionare il reticolo di diffrazione del CD

Usa un coltellino o delle forbici per tagliare un CD in un quadrato con una faccia riflettente e lati lunghi circa 2,5 cm. Usa del nastro adesivo per attaccare il CD al blocco Jenga. Gioca con il posizionamento del blocco Jenga e del reticolo di diffrazione del CD per posizionarlo in modo tale che proietti un arcobaleno sulla parete opposta dell'involucro del raccoglitore quando la luce della sorgente LED lo colpisce. Le immagini allegate mostrano come ho posizionato questi componenti. È importante che l'arcobaleno proiettato sia relativamente livellato come mostrato nell'ultima immagine. Un righello e uno schizzo a matita all'interno della parete della cassetta degli archivi possono aiutare a determinare quando la proiezione è a livello.

Passaggio 7: creare il supporto del campione

Stampa il documento allegato e fissa con nastro adesivo o incolla la carta su un pezzo di cartone. Usa un paio di forbici o un coltellino per tagliare il cartone a forma di croce. Incidi il cartoncino lungo le linee stampate al centro della croce. Inoltre, taglia piccole fessure ad altezze uguali nel mezzo di due bracci della croce di cartone come mostrato; queste fessure consentiranno a lunghezze d'onda discrete di luce di passare attraverso il campione alla fotoresistenza. Ho usato del nastro adesivo per rendere il cartone più robusto. Piegare il cartone lungo i segni e fissarlo con del nastro adesivo in modo da formare un portacampione rettangolare. Il supporto del campione dovrebbe adattarsi perfettamente a una provetta di vetro.

Passaggio 8: creare e collegare una base per il supporto del campione

Fissare insieme tre blocchi Jenga e collegare il gruppo al supporto del campione come mostrato. Assicurarsi che l'attacco sia abbastanza forte da non separare il supporto per campioni in cartone dalla base del blocco Jenga quando la provetta viene estratta dal supporto per campioni.

Passaggio 9: aggiungere la fotoresistenza al supporto del campione

Le fotoresistenze sono fotoconduttive e diminuiscono la quantità di resistenza che forniscono all'aumentare dell'intensità della luce. Ho registrato la fotoresistenza in un piccolo alloggiamento di legno, ma l'alloggiamento non è necessario. Nastro la fotoresistenza posteriore in modo tale che la sua faccia sensibile sia posizionata direttamente contro la fessura tagliata nel supporto del campione. Provare a posizionare la fotoresistenza in modo che venga colpita da più luce possibile dopo aver attraversato il campione e le fessure del supporto del campione.

Passaggio 10: cablare la fotoresistenza

Per cablare la fotoresistenza nel circuito Arduino, ho prima tagliato e spellato i fili di un vecchio cavo USB della stampante. Ho fissato insieme tre blocchi come mostrato, quindi ho attaccato i fili spellati a questa base. Usando due giunzioni di testa, ho collegato i fili del cavo della stampante USB ai terminali della fotoresistenza e ho unito le basi con nastro adesivo per formare un'unità (come mostrato nella quarta immagine). È possibile utilizzare qualsiasi cavo lungo al posto dei cavi del cavo della stampante.

Collega un filo proveniente dalla fotoresistenza all'uscita di alimentazione 5V di Arduino. Collega l'altro filo dalla fotoresistenza a un filo che porta a una delle porte di ingresso analogiche di Arduino. Quindi, aggiungi un resistore da 10 kilo-ohm in parallelo e collega il resistore alla connessione di terra di Arduino. L'ultima figura mostra concettualmente come potrebbero essere realizzati questi collegamenti (credito a circuit.io).

Passaggio 11: collega tutti i componenti ad Arduino

Collega il tuo computer ad Arduino e carica il codice allegato. Una volta scaricato il codice, puoi modificarlo in base alle tue esigenze e preferenze. Attualmente, Arduino esegue 125 misurazioni ogni volta che viene eseguito (fa anche la media di queste misurazioni alla fine) e il suo segnale di ingresso analogico porta ad A2. Nella parte superiore del codice, puoi modificare il nome del tuo campione e la data del campione. Per visualizzare i risultati, premere il pulsante del monitor seriale in alto a destra dell'interfaccia desktop di Arduino.

Anche se è un po' disordinato, puoi vedere come ho finito per collegare ogni componente del circuito Arduino. Ho usato due breadboard, ma potresti facilmente farne solo uno. Inoltre, la mia sorgente luminosa a LED è collegata ad Arduino, ma puoi utilizzare un alimentatore diverso se preferisci.

Passaggio 12: posizionare il supporto del campione nell'involucro della scatola dei file

Il passaggio finale nella creazione del tuo spettrofotometro fatto in casa consiste nel posizionare il supporto del campione nell'involucro della scatola dei file. Ho tagliato una piccola fessura nella scatola del file per far passare i fili dalla fotoresistenza. Ho trattato quest'ultimo passaggio più come un'arte che come una scienza, poiché il precedente posizionamento di ciascun componente del sistema influenzerà il posizionamento del supporto del campione nell'involucro della scatola dello schedario. Posizionare il supporto del campione in modo tale da poter allineare la fessura nel supporto del campione con un colore di luce individuale. Ad esempio, puoi posizionare l'Arduino in modo che la luce arancione e la luce verde proiettino su entrambi i lati della fessura mentre solo la luce gialla passa attraverso la fessura fino alla fotoresistenza. Una volta trovata una posizione in cui un solo colore per la luce passa attraverso la fessura nel supporto del campione, sposta il supporto del campione lateralmente per identificare le posizioni corrispondenti per ogni altro colore (ricorda, ROYGBV). Usa una matita per tracciare linee rette lungo la parte inferiore dell'involucro della scatola degli archivi per contrassegnare i punti in cui un solo colore di luce è in grado di raggiungere la fotoresistenza. Ho fissato due blocchi Jenga davanti e dietro il supporto del campione per assicurarmi di non deviare da questi segni durante le letture.

Passaggio 13: prova il tuo spettrofotometro fatto in casa: crea uno spettro

Ho eseguito diversi test con il mio spettrofotometro fatto in casa. In qualità di ingegnere ambientale, sono interessato alla qualità dell'acqua e ho prelevato campioni d'acqua da un piccolo ruscello vicino a casa mia. Quando si prelevano campioni, è importante utilizzare un contenitore pulito e stare dietro al contenitore durante il campionamento. Stare dietro al campione (cioè, a valle del punto di raccolta) aiuta a prevenire la contaminazione del campione e riduce il grado in cui l'attività nel flusso influisce sul campione. In un campione (campione A), ho aggiunto una piccola quantità di Miracle-Gro (la quantità appropriata per le piante d'appartamento, dato il mio volume di campione), e nell'altro campione non ho aggiunto nulla (campione B). Ho lasciato questi campioni seduti in una stanza ben illuminata senza i loro coperchi per consentire la fotosintesi (tenendo i coperchi aperti è consentito lo scambio di gas). Come potete vedere, nelle immagini, il campione che è stato integrato con Miracle-Gro si è saturato di alghe verdi platoniche, mentre il campione senza Miracle-Gro non ha avuto una crescita significativa dopo circa 15 giorni. Dopo averlo saturato con le alghe, ho diluito parte del Campione A in provette coniche da 50 mL e le ho lasciate nella stessa stanza ben illuminata senza i loro coperchi. Circa 5 giorni dopo, c'erano già notevoli differenze nel loro colore, indicando la crescita delle alghe. Si noti che purtroppo una delle quattro diluizioni è andata persa nel processo.

Esistono vari tipi di specie di alghe che crescono in acque dolci inquinate. Ho scattato foto delle alghe usando un microscopio e credo che siano clorococco o clorella. Sembra essere presente anche almeno un'altra specie di alghe. Per favore fatemi sapere se siete in grado di identificare queste specie!

Dopo aver coltivato le alghe nel Campione A, ne ho preso un piccolo campione e l'ho aggiunto alla provetta nello spettrofotometro fatto in casa. Ho registrato le uscite di Arduino per ogni colore della luce e associato ogni uscita con la lunghezza d'onda media di ogni gamma di colori. Questo è:

Luce Rossa = 685 nm

Luce arancione = 605 nm

Luce gialla = 580 nm

Luce verde = 532,5 nm

Luce Blu = 472,5 nm

Luce viola = 415 nm

Ho anche registrato le uscite di Arduino per ogni colore della luce quando un campione di acqua del Deer Park è stato collocato nel portacampioni.

Usando la legge di Beer, ho calcolato il valore di assorbanza per ogni misurazione prendendo il logaritmo in base 10 del quoziente dell'assorbanza dell'acqua del Deep Park diviso per l'assorbanza del campione A. Ho spostato i valori di assorbanza in modo che l'assorbanza del valore più basso fosse zero e ho tracciato i risultati. È possibile confrontare questi risultati con lo spettro di assorbimento dei pigmenti comuni (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) per cercare di indovinare i tipi di pigmenti contenuto nel campione di alghe.

Passaggio 14: prova il tuo spettrofotometro fatto in casa - Esperimento di disinfezione

Con il tuo spettrofotometro fatto in casa puoi eseguire una varietà di attività diverse. Qui, ho condotto un esperimento per vedere come le alghe decadono se esposte a diverse concentrazioni di candeggina. Ho usato un prodotto con una concentrazione di ipoclorito di sodio (cioè candeggina) del 2,40%. Ho iniziato aggiungendo 50 mL di Campione A a provette coniche da 50 mL. Ho quindi aggiunto diverse quantità di soluzione di candeggina ai campioni e ho effettuato misurazioni utilizzando lo spettrofotometro. L'aggiunta di 4 ml e 2 ml della soluzione di candeggina ai campioni ha fatto sì che i campioni diventassero limpidi quasi immediatamente, indicando una disinfezione e una disattivazione quasi immediate delle alghe. L'aggiunta di solo 1 mL e 0,5 mL (approssimativamente a 15 gocce da una pipetta) della soluzione di candeggina ai campioni, ha consentito il tempo sufficiente per eseguire misurazioni utilizzando lo spettrofotometro fatto in casa e il decadimento del modello in funzione del tempo. Prima di farlo, avevo usato la procedura nell'ultimo passaggio per costruire uno spettro per la soluzione di candeggina e determinato che la lunghezza d'onda della soluzione alla luce rossa era sufficientemente bassa da non esserci alcuna interferenza con l'approssimazione della disattivazione delle alghe usando l'assorbanza alle lunghezze d'onda del rosso leggero. Al semaforo rosso, la lettura in background da Arduino era 535 [-]. Effettuare diverse misurazioni e applicare la legge di Beer mi ha permesso di costruire le due curve mostrate. Si noti che i valori di assorbanza sono stati spostati in modo che il valore assorbito più basso sia 0.

Se è disponibile un emocitometro, esperimenti futuri potrebbero essere utilizzati per sviluppare una regressione lineare che metta in relazione l'assorbanza con la concentrazione cellulare nel campione A. Questa relazione potrebbe quindi essere utilizzata nell'equazione di Watson-Crick per determinare il valore CT per la disattivazione delle alghe mediante candeggina.

Passaggio 15: punti chiave

Attraverso questo progetto ho approfondito la mia conoscenza dei principi fondamentali della biologia ambientale e dell'ecologia. Questo esperimento mi ha permesso di sviluppare ulteriormente la mia comprensione della cinetica di crescita e decadimento dei fotoautotrofi negli ambienti acquatici. Inoltre, ho praticato tecniche di campionamento e analisi ambientale mentre imparavo di più sui meccanismi che consentono a strumenti come gli spettrofotometri di funzionare. Analizzando i campioni al microscopio, ho imparato di più sui microambienti degli organismi e ho acquisito familiarità con le strutture fisiche delle singole specie.