Spectrophotometer ya kujengwa ya Jenga ya nyumbani kwa Majaribio ya Mwani: Hatua 15

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:50

Mwani ni watendaji wa photosynthetic na, kama hivyo, ni viumbe muhimu katika minyororo ya chakula cha majini. Wakati wa majira ya kuchipua na majira ya joto, hata hivyo, vijidudu hivi na vingine vinaweza kuzidisha na kuzidi rasilimali asili ya maji, na kusababisha kupungua kwa oksijeni na uzalishaji wa vitu vyenye sumu. Kuelewa kiwango ambacho viumbe hivi hukua inaweza kuwa muhimu katika kulinda rasilimali za maji na pia kukuza teknolojia zinazotumia nguvu zao. Kwa kuongezea, kuelewa kiwango ambacho viumbe hivi vimezimwa inaweza kuwa na faida katika matibabu ya maji na maji machafu. Katika uchunguzi huu, nitajaribu kujenga kipaza sauti cha bei ya chini kuchambua viwango vya kuoza kwa viumbe vilivyoonyeshwa na bleach ya klorini kwenye maji yaliyopimwa kutoka Park Creek huko Horsham, Pennsylvania. Sampuli ya maji ya kijito yaliyokusanywa kutoka kwenye wavuti yatatungishwa na mchanganyiko wa virutubisho na kushoto kwenye jua ili kukuza ukuaji wa algal. Sprophotometer inayotengenezwa nyumbani itaruhusu mwangaza kwa urefu wa mawimbi tofauti kupita kwenye chupa ya sampuli kabla ya kugunduliwa na mpiga picha aliyeunganishwa na mzunguko wa Arduino. Kadiri msongamano wa viumbe kwenye sampuli unavyoongezeka, kiwango cha taa inayofyonzwa na sampuli kinatarajiwa kuongezeka. Zoezi hili litasisitiza dhana katika elektroniki, macho, biolojia, ikolojia, na hesabu.

Nimebuni wazo la spectrophotometer yangu kutoka kwa "Spectrophotometer ya Wanafunzi" inayoweza kuagizwa na Satchelfrost na karatasi "Spectrophotometer ya Kupunguza Kiwango cha bei ya chini" na Daniel R. Albert, Michael A. Todt, na H. Floyd Davis.

Hatua ya 1: Unda Njia yako ya Njia Nyepesi

Hatua ya kwanza katika Agizo hili ni kuunda fremu ya njia nyepesi kutoka kwa vizuizi sita na mkanda wa Jenga. Sura ya njia nyepesi itatumika kuweka na kusaidia chanzo cha nuru, kifaa cha ukuzaji, na utaftaji wa CD. Unda mikanda miwili mirefu kwa kugonga vizuizi vitatu vya Jenga kwenye laini kama inavyoonyeshwa kwenye picha ya kwanza. Tepe vipande hivi pamoja kama inavyoonekana kwenye picha ya pili.

Hatua ya 2: Unda Msingi wa Kifaa chako cha Kukuza na Uiambatanishe kwa Mfumo wa Njia Nuru

Kifaa cha ukuzaji kitawekwa kwenye fremu ya njia nyepesi na kuzingatia taa iliyotolewa na LED kabla ya kuvunjika kwa CD. Kanda pamoja vizuizi viwili vya Jenga hivi kwamba katikati ya kitalu kimoja iko pembe ya kulia hadi mwisho wa kizuizi kingine kama inavyoonyeshwa kwenye picha ya kwanza. Ambatisha kifaa cha kukuza kwenye msingi huu ukitumia mkanda kama inavyoonyeshwa kwenye picha ya tatu. Nilitumia glasi ndogo, ya bei rahisi ambayo nimekuwa nayo kwa miaka kadhaa. Baada ya kuambatanisha kifaa cha ukuzaji kwenye msingi wake, nilibandika kifaa cha ukuzaji kwenye fremu ya njia nyepesi. Nimeweka kifaa changu cha ukuzaji umbali wa cm 13.5 mbali na ukingo wa fremu ya njia nyepesi, lakini unaweza kuhitaji kurekebisha kifaa chako katika nafasi tofauti kulingana na urefu wa kiwiko cha kioo.

Hatua ya 3: Unda Chanzo Chako cha Nuru

Ili kupunguza kiwango cha taa isiyo na mkusanyiko ambayo inaweza kufikia grating ya utaftaji wa CD na kipika picha, nilitumia mkanda wa umeme kurekebisha balbu nyeupe ya LED ndani ya kofia nyeusi ya kalamu ambayo ilikuwa na shimo ndogo juu. Picha ya kwanza inaonyesha LED, picha ya pili inaonyesha kofia iliyopigwa ya kalamu ya LED. Nilitumia vipande vidogo vya mkanda wa umeme ili kuzuia mwanga kutoka kuangaza kutoka nyuma ya LED ambapo waya za anode na cathode ziko.

Baada ya kuunda kofia ya kalamu ya LED, niliunganisha LED kwa kontena la 220-ohm na chanzo cha nguvu. Niliunganisha waya kwa 5V na muunganisho wa ardhini wa Arduino Uno, lakini chanzo chochote cha nguvu cha nje cha DC kinaweza kutumika. Kinzani ni muhimu kuzuia taa ya LED kuwaka nje.

Hatua ya 4: Salama Chanzo cha Nuru kwa Mfumo wa Njia Nuru

Tape kizuizi kingine cha Jenga karibu na mwisho wa fremu ya njia nyepesi ili kutoa jukwaa la chanzo cha nuru. Katika usanidi wangu, kizuizi cha Jenga kinachounga mkono chanzo cha nuru kiliwekwa takriban cm 4 kutoka ukingo wa fremu ya njia nyepesi. Kama inavyoonyeshwa kwenye picha ya pili, uwekaji sahihi wa chanzo cha nuru ni kwamba taa ya taa inazingatia kupitia kifaa cha ukuzaji katika ncha iliyo kinyume cha fremu ya njia nyepesi ambapo grating ya utaftaji wa CD itakuwa.

Hatua ya 5: Weka Sura ya Njia Nyepesi, Kifaa cha Kukuza, na Chanzo cha Nuru kwenye Sanduku la Sanduku la Faili

Tumia kisanduku cha faili au kontena lingine linaloweza kufungwa na pande zenye opaque kama kasha ya kushikilia kila moja ya vifaa vya spectrophotometer. Kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu, nilitumia mkanda kupata fremu ya njia nyepesi, kifaa cha kukuza, na chanzo cha taa kwenye sanduku la sanduku la faili. Nilitumia kitalu kimoja cha Jenga kuweka nafasi ya njia nyepesi takriban 2.5 cm mbali na ukingo wa ukuta wa ndani wa kisanduku cha faili (kizuizi cha Jenga kilitumika tu kwa nafasi na baadaye kiliondolewa).

Hatua ya 6: Kata na Weka Nafasi ya Kuchambua CD

Tumia kisu cha kupendeza au mkasi kukata CD kwenye mraba na uso wa kutafakari na pande karibu urefu wa 2.5 cm. Tumia mkanda kushikamana na CD kwenye kizuizi cha Jenga. Cheza na uwekaji wa kizuizi cha Jenga na gridi ya utaftaji wa CD kuiweka vizuri ili iweze upinde wa mvua kwenye ukuta wa kinyume wa sanduku la faili wakati taa kutoka kwa chanzo cha LED inapiga. Picha zilizoambatanishwa zinaonyesha jinsi nilivyoweka vifaa hivi. Ni muhimu kwamba upinde wa mvua uliopangwa uwe sawa na kiwango kama inavyoonekana kwenye picha ya mwisho. Mchoro wa rula na penseli ndani ya ukuta wa kisanduku cha faili inaweza kusaidia kuamua wakati makadirio ni sawa.

Hatua ya 7: Unda Mmiliki wa Mfano

Chapisha hati iliyoambatanishwa, na mkanda au gundi karatasi hiyo kwenye kipande cha kadibodi. Tumia mkasi au kisu cha kupendeza kukata kadibodi katika sura ya msalaba. Alama kadibodi kando ya mistari iliyochapishwa katikati ya msalaba. Kwa kuongeza, kata vipande vidogo kwa urefu sawa katikati ya mikono miwili ya msalaba wa kadibodi kama inavyoonyeshwa; slits hizi zitaruhusu urefu wa mawimbi ya nuru kupita kwenye sampuli kwa mpiga picha. Nilitumia mkanda kusaidia kufanya kadibodi kuwa imara. Pindisha kadibodi pamoja na alama na uifanye mkanda ili mmiliki wa sampuli ya mstatili aundwe. Mmiliki wa sampuli anapaswa kutoshea karibu na bomba la mtihani wa glasi.

Hatua ya 8: Unda na Uambatanishe Msingi kwa Mmiliki wa Mfano

Kanda pamoja vitalu vitatu vya Jenga na unganisha mkutano kwa mmiliki wa sampuli kama inavyoonyeshwa. Hakikisha kiambatisho kina nguvu ya kutosha kwamba mmiliki wa sampuli ya kadibodi hajitengani na msingi wa block ya Jenga wakati bomba la jaribio limetolewa kwa mmiliki wa sampuli.

Hatua ya 9: Ongeza Photoresistor kwa Mmiliki wa Mfano

Wapiga picha ni photoconductive na hupunguza kiwango cha upinzani wanachotoa kama nguvu ya mwanga inaongezeka. Niligonga picha ya picha ndani ya nyumba ndogo, ya mbao, lakini makazi sio lazima. Piga kipiga picha cha nyuma ili uso wake wa kuhisi uwekewe moja kwa moja dhidi ya kitengo ulichokata kwenye mmiliki wa sampuli. Jaribu kuweka nafasi ya photoresistor ili mwanga mwingi iwezekanavyo uigonge baada ya kupita kwenye sampuli na mteremko wa mmiliki wa sampuli.

Hatua ya 10: Fungua waya wa Photoresistor

Ili kuweka waya wa picha kwenye mzunguko wa Arduino, kwanza nilikata na kuvua waya wa kebo ya zamani ya printa ya USB. Niligonga vitalu vitatu pamoja kama inavyoonyeshwa, kisha nikaunganisha waya zilizovuliwa kwenye msingi huu. Kutumia vipande viwili vya kitako, niliunganisha waya za kebo za printa za USB kwenye vituo vya kipiga picha na nikateka besi pamoja kuunda kitengo kimoja (kama inavyoonekana kwenye picha ya nne). Waya yoyote marefu yanaweza kutumiwa badala ya waya za kebo za printa.

Unganisha waya moja inayotokana na muuzaji wa picha na pato la nguvu la 5V la Arduino. Unganisha waya mwingine kutoka kwa mpiga picha hadi kwenye waya inayoongoza kwa analojia ya Arduino kwenye bandari. Kisha, ongeza kontena la kilo 10-ohm sambamba na unganisha kontena kwa unganisho la ardhi la Arduino. Takwimu ya mwisho inaonyesha jinsi unganisho huu unaweza kufanywa (mkopo kwa mzunguko.io).

Hatua ya 11: Unganisha Vipengele vyote kwa Arduino

Unganisha kompyuta yako na Arduino na upakie nambari iliyoambatanishwa nayo. Mara tu unapopakua nambari, unaweza kuirekebisha ili kutoshea mahitaji na matakwa yako. Hivi sasa, Arduino inachukua vipimo 125 kila wakati inaendeshwa (pia ina wastani wa vipimo hivi mwishoni), na analog yake katika ishara inaongoza kwa A2. Juu ya nambari, unaweza kubadilisha jina la sampuli yako na tarehe ya sampuli. Ili kuona matokeo, bonyeza kitufe cha kufuatilia serial kulia juu ya kiolesura cha Arduino.

Ingawa ni fujo kidogo, unaweza kuona jinsi nilivyoishia kuunganisha kila sehemu ya mzunguko wa Arduino. Nilitumia bodi mbili za mkate, lakini unaweza kufanya na moja tu. Kwa kuongeza, chanzo changu cha taa cha LED kimeunganishwa na Arduino, lakini unaweza kutumia usambazaji tofauti wa umeme ikiwa ungependa.

Hatua ya 12: Weka Mfano Wako wa Kushikilia kwenye Sanduku la Sanduku la Faili

Hatua ya mwisho ya kuunda kipaza sauti chako cha nyumbani ni kuweka mmiliki wa sampuli kwenye sanduku la sanduku la faili. Nilikata kipande kidogo kwenye kisanduku cha faili kupitisha waya kutoka kwa muuzaji picha. Nilichukulia hatua hii ya mwisho kama sanaa zaidi ya sayansi, kwani kuwekwa kwa kila sehemu ya mfumo kutaathiri nafasi ya mmiliki wa sampuli kwenye sanduku la sanduku la faili. Weka mmiliki wa sampuli ili uweze kupangilia kitengo kwenye mmiliki wa sampuli na rangi ya nuru ya mtu binafsi. Kwa mfano, unaweza kuweka Arduino ili taa ya rangi ya machungwa na taa ya kijani iingie upande wowote wa mteremko wakati taa ya manjano tu inapita kwenye mpasuko kwenda kwa mpiga picha. Mara tu unapopata mahali ambapo rangi moja tu ya nuru hupita kupitia kitengo kwenye mmiliki wa sampuli, sogeza mmiliki wa sampuli baadaye kubaini maeneo yanayolingana kwa rangi ya kila mmoja (kumbuka, ROYGBV). Tumia penseli kuchora mistari iliyonyooka chini ya kisanduku cha sanduku la faili kuashiria mahali ambapo rangi moja tu ya nuru ina uwezo wa kufikia mpiga picha. Niligonga chini vizuizi viwili vya Jenga mbele na nyuma ya mmiliki wa sampuli ili kuhakikisha kuwa sikukengeuka kutoka kwa alama hizi wakati wa kusoma.

Hatua ya 13: Jaribu Spectrophotometer yako ya Homemade - Unda Spectrum

Nilikimbia majaribio kadhaa na kipima sauti changu cha nyumbani. Kama mhandisi wa mazingira, ninavutiwa na ubora wa maji na nilichukua sampuli za maji kutoka kijito kidogo na nyumba yangu. Unapochukua sampuli, ni muhimu unatumia kontena safi na usimame nyuma ya chombo wakati unachukua sampuli. Kusimama nyuma ya sampuli (i.e. Katika sampuli moja (Sampuli A), niliongeza kiwango kidogo cha Miracle-Gro (kiwango kinachofaa kwa mimea ya ndani, kutokana na kiasi changu cha sampuli), na katika sampuli nyingine sikuongeza chochote (Sampuli B). Niliacha sampuli hizi zikikaa kwenye chumba chenye taa bila vifuniko vyao kuruhusu photosynthesis (kuweka vifuniko mbali kuruhusiwa kwa kubadilishana gesi). Kama unavyoona, kwenye picha, sampuli ambayo iliongezewa na Miracle-Gro ilijaa mwani wa kijani wa platonic, wakati sampuli bila Miracle-Gro haikua na ukuaji wowote muhimu baada ya siku 15. Baada ya kujaa mwani, nilinyunyiza Sampuli A katika mirija ya ujazo ya mililita 50 na kuziacha kwenye chumba kimoja chenye taa bila vifuniko vyao. Takriban siku 5 baadaye, tayari kulikuwa na tofauti tofauti katika rangi yao, ikionyesha ukuaji wa algal. Kumbuka kuwa moja ya dilution nne kwa bahati mbaya ilipotea katika mchakato.

Kuna aina anuwai ya spishi za mwani ambazo hukua katika maji safi safi. Nilipiga picha za mwani kwa kutumia darubini na ninaamini kuwa ni chlorococcum au chlorella. Angalau spishi nyingine ya mwani inaonekana pia iko. Tafadhali nijulishe ikiwa una uwezo wa kutambulisha spishi hizi!

Baada ya kukuza mwani katika Sampuli A, nilichukua sampuli ndogo yake na kuiongeza kwenye bomba la jaribio kwenye spektometa iliyotengenezwa nyumbani. Niliandika matokeo ya Arduino kwa kila rangi ya nuru na kuhusisha kila pato na urefu wa wastani wa kila safu ya rangi. Hiyo ni:

Taa Nyekundu = 685 nm

Mwanga wa Chungwa = 605 nm

Nuru ya Njano = 580 nm

Nuru ya Kijani = 532.5 nm

Mwanga wa Bluu = 472.5 nm

Mwanga wa Violet = 415 nm

Nilirekodi pia matokeo ya Arduino kwa kila rangi ya nuru wakati sampuli ya maji ya Deer Park iliwekwa kwenye mmiliki wa sampuli.

Kutumia Sheria ya Bia, nilihesabu thamani ya kunyonya kwa kila kipimo kwa kuchukua logarithm ya msingi-10 ya mgawo wa unyonyaji wa maji wa Deep Park uliogawanywa na Mfano wa absorbance. Nilibadilisha maadili ya kunyonya ili kunyonya kwa dhamani ya chini kabisa ilikuwa sifuri, na nikapanga matokeo. Unaweza kulinganisha matokeo haya na wigo wa kunyonya wa rangi ya kawaida (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). Ulimwengu wa Mwani. Asili ya seli, Maisha katika Maeneo Mikali na Astrobiolojia.) Kujaribu kubahatisha aina ya rangi zilizomo katika sampuli ya mwani.

Hatua ya 14: Jaribu Spectrophotometer yako ya Homemade - Jaribio la Disinfection

Na kipaza sauti chako cha nyumbani unaweza kufanya shughuli anuwai tofauti. Hapa, nilifanya jaribio la kuona jinsi mwani unavyooza ukiwa wazi kwa viwango tofauti vya bleach. Nilitumia bidhaa na mkusanyiko wa hypochlorite ya sodiamu (yaani, bleach) ya asilimia 2.40%. Nilianza kwa kuongeza mililita 50 za Sampuli A hadi 50 mL zilizopo zenye mchanganyiko. Kisha nikaongeza kiasi tofauti cha suluhisho la bleach kwenye sampuli na nikachukua vipimo kwa kutumia spectrophotometer. Kuongeza mililita 4 na mililita 2 ya suluhisho la bleach kwenye sampuli ilisababisha sampuli kugeukia karibu mara moja, ikionyesha disinfection karibu na kuzima mwani. Kuongeza mililita 1 tu na mililita 0.5 (inakadiriwa na matone 15 kutoka kwa bomba) ya suluhisho la bleach kwa sampuli, iliruhusu muda wa kutosha kuchukua vipimo kwa kutumia kipima sauti cha nyumbani na kuoza kwa mfano kama kazi ya wakati. Kabla ya kufanya hivyo, nilikuwa nimetumia utaratibu katika hatua ya mwisho kutengeneza wigo wa suluhisho la bleach na kuamua kuwa urefu wa suluhisho kwenye taa nyekundu ulikuwa wa chini kiasi kwamba hakutakuwa na usumbufu mdogo na uzuiaji wa algal inayokadiriwa kwa kutumia absorbance kwenye urefu wa urefu wa nyekundu mwanga. Kwa taa nyekundu, usomaji wa nyuma kutoka kwa Arduino ulikuwa 535 [-]. Kuchukua vipimo kadhaa na kutumia Sheria ya Bia kuliniruhusu kujenga safu mbili zilizoonyeshwa. Kumbuka kuwa maadili ya kunyonya yalibadilishwa ili kiwango cha chini kabisa cha kufyonzwa ni 0.

Ikiwa hemocytometer inapatikana, majaribio ya siku zijazo yanaweza kutumiwa kukuza urekebishaji wa laini ambao unahusiana na kunyonya kwa mkusanyiko wa seli katika Mfano A. Uhusiano huu unaweza kutumiwa katika equation ya Watson-Crick kuamua thamani ya CT ya kuzima mwani kwa kutumia bleach.

Hatua ya 15: Njia kuu za kuchukua

Kupitia mradi huu, nilikuza ujuzi wangu wa kanuni za msingi kwa biolojia ya mazingira na ikolojia. Jaribio hili liliniruhusu kukuza zaidi uelewa wangu wa ukuaji na uozo wa kinetiki ya picha za mwili katika mazingira ya majini. Kwa kuongezea, nilifanya ufundi katika sampuli na uchambuzi wa mazingira wakati nilipokuwa nikijifunza zaidi juu ya mifumo inayoruhusu zana kama sprophotometers kufanya kazi. Wakati nilikuwa nikichambua sampuli chini ya darubini, nilijifunza zaidi juu ya mazingira ya viumbe na kujifahamisha na miundo ya kiumbe ya spishi binafsi.