مقياس الطيف الضوئي Jenga بلوك محلي الصنع لتجارب الطحالب: 15 خطوة

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

الطحالب عبارة عن طلائع التمثيل الضوئي ، وعلى هذا النحو ، فهي كائنات حيوية في سلاسل الغذاء المائية. ومع ذلك ، خلال أشهر الربيع والصيف ، يمكن لهذه الكائنات الدقيقة وغيرها أن تتكاثر وتطغى على موارد المياه الطبيعية ، مما يؤدي إلى استنفاد الأكسجين وإنتاج المواد السامة. يمكن أن يكون فهم معدل نمو هذه الكائنات مفيدًا في حماية موارد المياه وكذلك تطوير التقنيات التي تسخر قوتها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يكون فهم معدل تعطيل هذه الكائنات الحية مفيدًا في معالجة المياه ومياه الصرف الصحي. في هذا التحقيق ، سأحاول بناء مقياس طيف ضوئي منخفض التكلفة لتحليل معدلات اضمحلال الكائنات الحية المعرضة لتبييض الكلور في المياه المأخوذة من بارك كريك في هورشام ، بنسلفانيا. سيتم إخصاب عينة من مياه الخور التي تم جمعها من الموقع بمزيج من العناصر الغذائية وتركها في ضوء الشمس لتعزيز نمو الطحالب. سيسمح مقياس الطيف الضوئي محلي الصنع للضوء بأطوال موجية منفصلة بالمرور عبر قارورة العينة قبل أن يتم اكتشافه بواسطة المقاوم الضوئي المتصل بدائرة Arduino. مع زيادة كثافة الكائنات الحية في العينة ، من المتوقع أن تزداد كمية الضوء التي تمتصها العينة. سيركز هذا التمرين على مفاهيم الإلكترونيات والبصريات والأحياء والبيئة والرياضيات.

لقد طورت فكرة مقياس الطيف الضوئي الخاص بي من "مقياس الطيف الضوئي للطالب" Instructable "Student Spectrophotometer" بواسطة Satchelfrost والورقة البحثية "مقياس الطيف الضوئي للامتصاص الكمي منخفض التكلفة" بقلم دانيال آر ألبرت ، ومايكل أ. تود ، وإتش فلويد ديفيس.

الخطوة 1: قم بإنشاء إطار مسار الضوء الخاص بك

تتمثل الخطوة الأولى في Instructable هذا في إنشاء إطار مسار خفيف من ست كتل وشريط Jenga. سيتم استخدام إطار مسار الضوء لوضع ودعم مصدر الضوء وجهاز التكبير ومحزوز حيود القرص المضغوط. قم بإنشاء شريحتين طويلتين عن طريق لصق ثلاث كتل Jenga في خط كما هو موضح في الصورة الأولى. ألصق هذه الشرائط معًا كما هو موضح في الصورة الثانية.

الخطوة 2: قم بإنشاء قاعدة لجهاز التكبير الخاص بك وقم بإرفاقها بإطار مسار الضوء

سيتم لصق جهاز التكبير بإطار مسار الضوء وتركيز الضوء المنبعث من LED قبل انحراف الضوء عن القرص المضغوط. قم بربط كتلتين من كتل Jenga معًا بحيث يكون منتصف إحدى الكتل في الزاوية اليمنى لنهاية كتلة أخرى كما هو موضح في الصورة الأولى. قم بتوصيل جهاز التكبير بهذه القاعدة باستخدام شريط كما هو موضح في الصورة الثالثة. لقد استخدمت عدسة مكبرة صغيرة وغير مكلفة كنت أمتلكها منذ عدة سنوات. بعد توصيل جهاز التكبير بقاعدته ، قمت بتسجيل جهاز التكبير بإطار مسار الضوء. لقد قمت بوضع جهاز التكبير الخاص بي على بعد 13.5 سم من حافة إطار مسار الضوء ، ولكن قد تحتاج إلى إصلاح جهازك في موضع مختلف اعتمادًا على البعد البؤري للعدسة المكبرة.

الخطوة 3: إنشاء مصدر الضوء الخاص بك

للحد من كمية الضوء غير المركز التي يمكن أن تصل إلى محزوز حيود القرص المضغوط والمقاوم الضوئي ، استخدمت شريطًا كهربائيًا لإصلاح لمبة LED بيضاء داخل غطاء قلم أسود به فتحة صغيرة في الأعلى. تُظهر الصورة الأولى مؤشر LED ، بينما تُظهر الصورة الثانية غطاء قلم LED المسجل. لقد استخدمت قطعًا صغيرة من الشريط الكهربائي لمنع الضوء من السطوع من الجزء الخلفي من LED حيث توجد أسلاك الأنود والكاثود.

بعد إنشاء غطاء قلم LED ، قمت بتوصيل مؤشر LED بمقاوم 220 أوم ومصدر طاقة. لقد قمت بتوصيل مؤشر LED بوصلات 5V والأرضية لمتحكم Arduino Uno ، ولكن يمكن استخدام أي مصدر طاقة خارجي للتيار المستمر. المقاوم مهم لمنع ضوء LED من الاحتراق.

الخطوة 4: قم بتأمين مصدر الضوء بإطار مسار الضوء

قم بربط كتلة جينجا أخرى بالقرب من نهاية إطار مسار الضوء لتوفير منصة لمصدر الضوء. في إعدادي ، تم وضع كتلة Jenga التي تدعم مصدر الضوء على بعد 4 سم تقريبًا من حافة إطار مسار الضوء. كما هو موضح في الصورة الثانية ، فإن الموضع الصحيح لمصدر الضوء هو أن شعاع الضوء يركز من خلال جهاز التكبير في الطرف المقابل لإطار مسار الضوء حيث سيكون محزوز حيود القرص المضغوط.

الخطوة 5: ضع إطار مسار الضوء وجهاز التكبير ومصدر الضوء في غلاف صندوق الملفات

استخدم صندوق ملفات أو حاوية أخرى قابلة للغلق ذات جوانب غير شفافة كغلاف لتثبيت كل مكون من مكونات مقياس الطيف الضوئي. كما هو موضح في الشكل ، استخدمت شريطًا لتأمين إطار مسار الضوء وجهاز التكبير ومصدر الضوء في غلاف صندوق الملفات. لقد استخدمت كتلة Jenga لإبعاد إطار مسار الضوء على مسافة 2.5 سم تقريبًا من حافة الجدار الداخلي لصندوق الملفات (تم استخدام كتلة Jenga فقط للتباعد وتمت إزالتها لاحقًا).

الخطوة 6: قص ووضع محزوز حيود القرص المضغوط

استخدم سكينًا أو مقصًا للهوايات لتقطيع قرص مضغوط إلى مربع ذي وجه عاكس وجوانب بطول 2.5 سم تقريبًا. استخدم شريطًا لتوصيل القرص المضغوط بكتلة Jenga. العب مع موضع كتلة Jenga ومحزوز حيود القرص المضغوط لوضعها بحيث تظهر قوس قزح على الجدار المقابل لغلاف صندوق الملفات عندما يضربها الضوء من مصدر LED. توضح الصور المرفقة كيف قمت بوضع هذه المكونات. من المهم أن يكون قوس قزح المسقط مستويًا نسبيًا كما هو موضح في الصورة الأخيرة. قد يساعد رسم المسطرة والقلم الرصاص الموجودان داخل جدار صندوق الملفات في تحديد متى يكون الإسقاط مستويًا.

الخطوة 7: إنشاء حامل العينة

اطبع المستند المرفق ، وألصق الورق أو ألصقه على قطعة من الورق المقوى. استخدم مقصًا أو سكينًا لقطع الورق المقوى إلى شكل متقاطع. قم بتسجيل الورق المقوى على طول الخطوط المطبوعة في مركز الصليب. بالإضافة إلى ذلك ، قم بقطع شقوق صغيرة على ارتفاعات متساوية في منتصف ذراعي صليب الكرتون كما هو موضح ؛ ستسمح هذه الشقوق لأطوال موجية منفصلة من الضوء بالمرور عبر العينة إلى المقاوم الضوئي. لقد استخدمت الشريط للمساعدة في جعل الورق المقوى أكثر ثباتًا. قم بطي الورق المقوى على طول الدرجات وألصقها بحيث يتم تشكيل حامل عينة مستطيل. يجب أن يتلاءم حامل العينة بإحكام حول أنبوب اختبار زجاجي.

الخطوة 8: إنشاء وإرفاق قاعدة لحامل العينة

قم بربط ثلاث كتل Jenga معًا وربط التجميع بحامل العينة كما هو موضح. تأكد من أن المرفق قوي بما يكفي بحيث لا ينفصل حامل عينة الورق المقوى عن قاعدة كتلة Jenga عند سحب أنبوب الاختبار من حامل العينة.

الخطوة 9: أضف المقاوم الضوئي إلى حامل العينة

المقاومات الضوئية موصلة ضوئية وتقلل من مقدار المقاومة التي توفرها مع زيادة شدة الضوء. لقد قمت بتسجيل المقاوم الضوئي في مبيت خشبي صغير ، لكن السكن ليس ضروريًا. الصق المقاوم الضوئي الخلفي بحيث يتم وضع وجهه المستشعر مباشرة مقابل الشق الذي قطعته في حامل العينة. حاول وضع المقاوم الضوئي بحيث يصطدم بأكبر قدر ممكن من الضوء بعد المرور عبر العينة وشقوق حامل العينة.

الخطوة 10: قم بسلك المقاوم الضوئي

لتوصيل المقاوم الضوئي في دائرة Arduino ، قمت أولاً بقطع وتجريد أسلاك كابل طابعة USB قديم. لقد قمت بتسجيل ثلاث كتل معًا كما هو موضح ، ثم قمت بتوصيل الأسلاك المجردة بهذه القاعدة. باستخدام توصيلتين بعقب ، قمت بتوصيل أسلاك كبل طابعة USB بأطراف المقاوم الضوئي وقمت بتسجيل القواعد معًا لتشكيل وحدة واحدة (كما هو موضح في الصورة الرابعة). يمكن استخدام أي أسلاك طويلة بدلاً من أسلاك كبل الطابعة.

قم بتوصيل سلك واحد ينبعث من المقاوم الضوئي بمخرج طاقة Arduino 5V. قم بتوصيل السلك الآخر من المقاوم الضوئي بسلك يؤدي إلى أحد منافذ Arduino التناظرية. بعد ذلك ، أضف المقاوم 10 كيلو أوم بالتوازي وقم بتوصيل المقاوم بوصلة Arduino الأرضية. يوضح الشكل الأخير من الناحية المفاهيمية كيف يمكن إجراء هذه الاتصالات (الفضل في دائرة.io).

الخطوة 11: قم بتوصيل جميع المكونات بـ Arduino

قم بتوصيل جهاز الكمبيوتر الخاص بك بـ Arduino وقم بتحميل الكود المرفق عليه. بمجرد تنزيل الرمز ، يمكنك تعديله ليناسب احتياجاتك وتفضيلاتك. في الوقت الحالي ، يأخذ Arduino 125 قياسًا في كل مرة يتم تشغيله (كما أنه يقيس متوسط هذه القياسات في النهاية) ، ويؤدي نظيره في الإشارة إلى A2. في الجزء العلوي من الشفرة ، يمكنك تغيير اسم العينة وتاريخ العينة. لعرض النتائج ، اضغط على زر جهاز العرض التسلسلي أعلى يمين واجهة Arduino لسطح المكتب.

على الرغم من أنه فوضوي بعض الشيء ، يمكنك أن ترى كيف انتهى بي الأمر بتوصيل كل مكون من مكونات دائرة Arduino. لقد استخدمت لوحين ، ولكن يمكنك فعل ذلك بسهولة باستخدام لوح واحد فقط. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مصدر ضوء LED الخاص بي متصل بـ Arduino ، ولكن يمكنك استخدام مصدر طاقة مختلف له إذا كنت تفضل ذلك.

الخطوة 12: ضع حامل العينة في غلاف صندوق الملفات

تتمثل الخطوة الأخيرة في إنشاء مقياس الطيف الضوئي محلي الصنع في وضع حامل العينة في غلاف صندوق الملفات. لقد قطعت شقًا صغيرًا في صندوق الملفات لتمرير الأسلاك من المقاوم الضوئي عبره. لقد تعاملت مع هذه الخطوة الأخيرة على أنها فن أكثر من كونها علمًا ، حيث سيؤثر الوضع المسبق لكل مكون من مكونات النظام على موضع حامل العينة في غلاف صندوق الملفات. ضع حامل العينة بحيث تكون قادرًا على محاذاة الشق في حامل العينة بلون فردي من الضوء. على سبيل المثال ، يمكنك وضع Arduino بحيث يسقط الضوء البرتقالي والضوء الأخضر على جانبي الشق بينما يمر الضوء الأصفر فقط عبر الفتحة إلى المقاوم الضوئي. بمجرد العثور على موقع يمر فيه ضوء لون واحد فقط عبر الشق الموجود في حامل العينة ، انقل حامل العينة بشكل جانبي لتحديد المواقع المقابلة لكل لون آخر (تذكر ، ROYGBV). استخدم قلم رصاص لرسم خطوط مستقيمة على طول الجزء السفلي من غلاف صندوق الملفات لتحديد المواقع التي يمكن أن يصل فيها لون واحد فقط من الضوء إلى المقاوم الضوئي. لقد قمت بتسجيل كتلتين من Jenga أمام وخلف حامل العينة للمساعدة في التأكد من أنني لم أخرج عن هذه العلامات عند أخذ القراءات.

الخطوة 13: اختبر مقياس الطيف الضوئي محلي الصنع - أنشئ طيفًا

أجريت عدة اختبارات باستخدام مقياس الطيف الضوئي منزلي الصنع. بصفتي مهندسًا بيئيًا ، فأنا مهتم بجودة المياه وأخذت عينات من المياه من مجرى صغير بجوار منزلي. عند أخذ العينات ، من المهم أن تستخدم حاوية نظيفة وأن تقف خلف الحاوية أثناء أخذ العينات. يساعد الوقوف خلف العينة (أي في اتجاه مجرى نقطة التجميع) على منع تلوث عينتك ويقلل من درجة تأثير نشاطك في الدفق على العينة. في عينة واحدة (العينة أ) ، أضفت كمية صغيرة من Miracle-Gro (الكمية المناسبة للنباتات الداخلية ، بالنظر إلى حجم العينة الخاصة بي) ، وفي العينة الأخرى لم أضف شيئًا (العينة B). تركت هذه العينات جالسة في غرفة مضاءة جيدًا بدون أغطيةها للسماح بعملية التمثيل الضوئي (إبقاء الأغطية مغلقة للسماح بتبادل الغازات). كما ترون ، في الصور ، أصبحت العينة التي تم استكمالها بـ Miracle-Gro مشبعة بالطحالب الأفلاطونية الخضراء ، بينما لم تشهد العينة بدون Miracle-Gro أي نمو ملحوظ بعد حوالي 15 يومًا. بعد تشبعها بالطحالب ، قمت بتخفيف بعض من العينة A في أنابيب مخروطية سعة 50 مل وتركتها في نفس الغرفة المضاءة جيدًا بدون أغطية. بعد حوالي 5 أيام ، كانت هناك بالفعل اختلافات ملحوظة في لونها ، مما يشير إلى نمو الطحالب. لاحظ أن أحد التخفيفات الأربعة فُقد للأسف في هذه العملية.

هناك أنواع مختلفة من الطحالب التي تنمو في المياه العذبة الملوثة. لقد التقطت صورًا للطحالب باستخدام المجهر وأعتقد أنها إما كلوروكوكوم أو كلوريلا. يبدو أن نوعًا واحدًا آخر على الأقل من الطحالب موجود أيضًا. يرجى إعلامي إذا كنت قادرًا على تحديد هذه الأنواع!

بعد زراعة الطحالب في العينة أ ، أخذت عينة صغيرة منها وأضفتها إلى أنبوب الاختبار في مقياس الطيف الضوئي محلي الصنع. لقد سجلت مخرجات Arduino لكل لون ضوء وربطت كل ناتج بمتوسط الطول الموجي لكل نطاق لوني. هذا هو:

الضوء الأحمر = 685 نانومتر

الضوء البرتقالي = 605 نانومتر

الضوء الأصفر = 580 نانومتر

الضوء الأخضر = 532.5 نانومتر

الضوء الأزرق = 472.5 نانومتر

الضوء البنفسجي = 415 نانومتر

لقد سجلت أيضًا مخرجات Arduino لكل لون من الضوء عندما تم وضع عينة من ماء Deer Park في حامل العينة.

باستخدام قانون بير ، قمت بحساب قيمة الامتصاصية لكل قياس عن طريق أخذ اللوغاريتم الأساسي 10 لحاصل امتصاص الماء في ديب بارك مقسومًا على العينة أ. لقد قمت بتحويل قيم الامتصاصية بحيث كانت أقل امتصاص للقيمة صفرًا ، ورسمت النتائج. يمكنك مقارنة هذه النتائج بطيف الامتصاص للأصباغ الشائعة (Sahoo، D.، & Seckbach، J. (2015). The Algae World. Cellular Origin، Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) لمحاولة تخمين أنواع الأصباغ الواردة في عينة الطحالب.

الخطوة 14: اختبر مقياس الطيف الضوئي محلي الصنع - تجربة التطهير

باستخدام مقياس الطيف الضوئي محلي الصنع ، يمكنك أداء مجموعة متنوعة من الأنشطة المختلفة. هنا ، أجريت تجربة لمعرفة كيف تتحلل الطحالب عند تعرضها لتركيزات مختلفة من المبيض. لقد استخدمت منتجًا بتركيز هيبوكلوريت الصوديوم (أي مبيض) بنسبة 2.40٪. لقد بدأت بإضافة 50 مل من العينة A إلى 50 مل من الأنابيب المخروطية. ثم أضفت كميات مختلفة من محلول التبييض إلى العينات وأخذت القياسات باستخدام مقياس الطيف الضوئي. أدت إضافة 4 مل و 2 مل من محلول التبييض إلى العينات إلى تحول العينات على الفور تقريبًا ، مما يشير إلى التطهير الفوري تقريبًا وإلغاء تنشيط الطحالب. إضافة 1 مل و 0.5 مل فقط (تقريبًا 15 قطرة من ماصة) من محلول التبييض إلى العينات ، أتاح وقتًا كافيًا لأخذ القياسات باستخدام مقياس الطيف الضوئي محلي الصنع ونموذج التحلل كدالة للوقت. قبل القيام بذلك ، كنت قد استخدمت الإجراء في الخطوة الأخيرة لإنشاء طيف لمحلول التبييض وقررت أن الطول الموجي للمحلول عند الضوء الأحمر كان منخفضًا بدرجة كافية بحيث لا يكون هناك تداخل يذكر مع التقريب لتعطيل الطحالب باستخدام الامتصاصية عند الأطوال الموجية باللون الأحمر ضوء. في الضوء الأحمر ، كانت قراءة الخلفية من Arduino 535 [-]. سمح لي أخذ العديد من القياسات وتطبيق قانون بير ببناء المنحنيين الموضحين. لاحظ أنه تم إزاحة قيم الامتصاصية بحيث تكون أقل قيمة ممتصة هي 0.

إذا كان مقياس الكريات الدم متاحًا ، فيمكن استخدام التجارب المستقبلية لتطوير الانحدار الخطي الذي يربط الامتصاصية بتركيز الخلية في العينة أ. ويمكن بعد ذلك استخدام هذه العلاقة في معادلة واتسون-كريك لتحديد قيمة CT لتعطيل الطحالب باستخدام التبييض.

الخطوة 15: الوجبات الجاهزة الرئيسية

من خلال هذا المشروع ، نمت معرفتي بالمبادئ الأساسية لبيولوجيا البيئة والبيئة. سمحت لي هذه التجربة بتطوير فهمي لحركية النمو والانحلال في التغذية الضوئية في البيئات المائية. بالإضافة إلى ذلك ، مارست تقنيات في أخذ العينات البيئية والتحليل أثناء تعلم المزيد عن الآليات التي تسمح لأدوات مثل أجهزة قياس الطيف الضوئي بالعمل. أثناء تحليل العينات تحت المجهر ، تعلمت المزيد عن البيئات الدقيقة للكائنات الحية وأصبحت على دراية بالتراكيب الفيزيائية للأنواع الفردية.