Yosun Deneyleri için Ev Yapımı Jenga Blok Spektrofotometresi: 15 Adım

2025 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2025-01-23 15:13

Algler fotosentetik koruyuculardır ve bu nedenle suda yaşayan besin zincirlerinde kritik organizmalardır. Bununla birlikte, ilkbahar ve yaz aylarında, bu ve diğer mikroorganizmalar çoğalabilir ve doğal su kaynaklarını alt edebilir, bu da oksijen tükenmesine ve toksik maddelerin üretilmesine neden olabilir. Bu organizmaların büyüme hızını anlamak, su kaynaklarını korumanın yanı sıra güçlerini kullanan teknolojilerin geliştirilmesinde de faydalı olabilir. Ek olarak, bu organizmaların devre dışı bırakılma hızının anlaşılması, su ve atık su arıtımında faydalı olabilir. Bu araştırmada, Pennsylvania, Horsham'daki Park Creek'ten alınan suda klorlu ağartıcıya maruz kalan organizmaların bozunma oranlarını analiz etmek için düşük maliyetli bir spektrofotometre yapmaya çalışacağım. Alandan toplanan bir dere suyu örneği, bir besin karışımı ile gübrelenecek ve alg büyümesini teşvik etmek için güneş ışığına bırakılacaktır. Ev yapımı spektrofotometre, bir Arduino devresine bağlı bir fotodirenç tarafından algılanmadan önce, ayrı dalga boylarındaki ışığın numunenin bir şişesinden geçmesine izin verecektir. Numunedeki organizmaların yoğunluğu arttıkça, numune tarafından emilen ışık miktarının artması beklenir. Bu alıştırma elektronik, optik, biyoloji, ekoloji ve matematikteki kavramları vurgulayacaktır.

Spektrofotometre fikrini Satchelfrost'un Eğitilebilir “Öğrenci Spektrofotometresi”nden ve Daniel R. Albert, Michael A. Todt ve H. Floyd Davis'in “Bir Düşük Maliyetli Kantitatif Absorpsiyon Spektrofotometresi” makalesinden geliştirdim.

Adım 1: Işık Yolu Çerçevenizi Oluşturun

Bu Eğitilebilir Tablodaki ilk adım, altı Jenga bloğu ve banttan bir ışık yolu çerçevesi oluşturmaktır. Işık yolu çerçevesi, ışık kaynağını, büyütme cihazını ve CD kırınım ızgarasını konumlandırmak ve desteklemek için kullanılacaktır. İlk resimde gösterildiği gibi üç Jenga bloğunu bir çizgiye bantlayarak iki uzun şerit oluşturun. Bu şeritleri ikinci fotoğrafta gösterildiği gibi birbirine bantlayın.

Adım 2: Büyütme Cihazınız için Bir Taban Oluşturun ve Bunu Işık Yolu Çerçevesine Takın

Büyütme cihazı, ışık yolu çerçevesine yapıştırılacak ve CD'den kırılmadan önce LED tarafından yayılan ışığı yoğunlaştıracaktır. İki Jenga bloğunu, ilk resimde gösterildiği gibi, bir bloğun ortası diğer bloğun sonuna dik açıda olacak şekilde bantlayın. Büyütme cihazını üçüncü resimde gösterildiği gibi bant kullanarak bu tabana takın. Birkaç yıldır sahip olduğum küçük, ucuz bir büyüteç kullandım. Büyütme cihazını tabanına taktıktan sonra büyütme cihazını ışık yolu çerçevesine bantladım. Büyütme cihazımı ışık yolu çerçevesinin kenarından 13,5 cm uzağa yerleştirdim ancak büyütecin odak uzaklığına bağlı olarak cihazınızı farklı bir konuma sabitlemeniz gerekebilir.

Adım 3: Işık Kaynağınızı Yaratın

CD kırınım ızgarasına ve fotodirencine ulaşabilen konsantre olmayan ışık miktarını sınırlamak için, tepesinde küçük bir delik bulunan siyah bir kalem kapağının içine beyaz bir LED ampulü sabitlemek için elektrik bandı kullandım. İlk resim LED'i gösterir, ikinci resim bantlanmış LED kalem kapağını gösterir. Anot ve katot tellerinin bulunduğu LED'in arkasından ışığın parlamasını önlemek için küçük elektrik bandı parçaları kullandım.

LED kalem kapağını oluşturduktan sonra LED'i 220 ohm'luk bir direnç ve güç kaynağına bağladım. LED'i bir Arduino Uno mikro denetleyicisinin 5V ve toprak bağlantılarına bağladım, ancak herhangi bir harici DC güç kaynağı kullanılabilir. Direnç, LED ışığının yanmasını önlemek için önemlidir.

Adım 4: Işık Kaynağını Işık Yolu Çerçevesine sabitleyin

Işık kaynağı için bir platform sağlamak üzere ışık yolu çerçevesinin sonuna yakın başka bir Jenga bloğu bantlayın. Benim kurulumumda, ışık kaynağını destekleyen Jenga bloğu, ışık yolu çerçevesinin kenarından yaklaşık 4 cm uzağa yerleştirildi. İkinci resimde gösterildiği gibi, ışık kaynağının doğru yerleştirilmesi, ışık huzmesinin CD kırınım ızgarasının olacağı ışık yolu çerçevesinin karşı ucundaki büyütme cihazı aracılığıyla odaklanacağı şekildedir.

Adım 5: Işık Yolu Çerçevesini, Büyütme Cihazını ve Işık Kaynağını Dosya Kutusu Muhafazasına yerleştirin

Spektrofotometrenin bileşenlerinin her birini tutmak için kasa olarak bir dosya kutusu veya opak kenarları olan başka bir kapatılabilir kap kullanın. Şekilde gösterildiği gibi, ışık yolu çerçevesini, büyütme cihazını ve ışık kaynağını dosya kutusu kasasına sabitlemek için bant kullandım. Işık yolu çerçevesini dosya kutusunun iç duvarının kenarından yaklaşık 2,5 cm uzağa yerleştirmek için bir Jenga bloğu kullandım (Jenga bloğu yalnızca boşluk bırakmak için kullanıldı ve daha sonra kaldırıldı).

Adım 6: CD Kırınım Izgarasını Kesin ve Konumlandırın

Bir CD'yi yansıtıcı yüzü ve kenarları yaklaşık 2,5 cm uzunluğunda kare şeklinde kesmek için bir hobi bıçağı veya makas kullanın. CD'yi Jenga bloğuna takmak için bant kullanın. LED kaynağından gelen ışık çarptığında dosya kutusu kasasının karşı duvarına bir gökkuşağı yansıtacak şekilde konumlandırmak için Jenga bloğunun konumu ve CD kırınım ızgarası ile oynayın. Ekli resimler, bu bileşenleri nasıl konumlandırdığımı gösterir. Yansıtılan gökkuşağının son resimde gösterildiği gibi nispeten düz olması önemlidir. Dosya kutusu duvarının iç kısmındaki bir cetvel ve kalem çizimi, projeksiyonun ne zaman düz olduğunu belirlemeye yardımcı olabilir.

Adım 7: Numune Tutucuyu oluşturun

Ekteki belgeyi yazdırın ve kağıdı bir karton parçasına bantlayın veya yapıştırın. Kartonu çapraz şekilde kesmek için bir makas veya bir hobi bıçağı kullanın. Kartonu, haçın ortasındaki basılı çizgiler boyunca puanlayın. Ek olarak, karton haçın iki kolunun ortasından gösterildiği gibi eşit yükseklikte küçük yarıklar kesin; bu yarıklar, ışığın ayrı dalga boylarının numuneden fotodirençten geçmesine izin verecektir. Mukavvayı daha sağlam hale getirmek için bant kullandım. Kartonu puanlar boyunca katlayın ve dikdörtgen bir numune tutucu oluşturacak şekilde bantlayın. Numune tutucu, bir cam test tüpünün etrafına sıkıca oturmalıdır.

Adım 8: Numune Tutucu için bir Taban Oluşturun ve Takın

Üç Jenga bloğunu birbirine bantlayın ve düzeneği gösterildiği gibi numune tutucuya takın. Ataşmanın, test tüpü numune tutucudan dışarı çekildiğinde karton numune tutucunun Jenga blok tabanından ayrılmaması için yeterince güçlü olduğundan emin olun.

Adım 9: Fotodirenci Örnek Tutucuya ekleyin

Fotodirençler fotoiletkendir ve ışık yoğunluğu arttıkça sağladıkları direnç miktarını azaltırlar. Fotodirenci küçük, ahşap bir mahfazaya bantladım, ancak mahfaza gerekli değil. Arka fotorezistörü, algılama yüzü doğrudan numune tutucuda kestiğiniz yarığa karşı konumlanacak şekilde bantlayın. Fotodirenci, numuneden ve numune tutucunun yarıklarından geçtikten sonra mümkün olduğunca fazla ışık vuracak şekilde konumlandırmaya çalışın.

Adım 10: Fotodirenci bağlayın

Arduino devresindeki fotorezistörü kablolamak için önce eski bir USB yazıcı kablosunun kablolarını kesip çıkardım. Üç bloğu gösterildiği gibi bantladım ve sonra soyulmuş telleri bu tabana bağladım. İki uç ekleme kullanarak, USB yazıcı kablo tellerini fotorezistörün terminallerine bağladım ve tabanları tek bir birim oluşturacak şekilde bantladım (dördüncü resimde gösterildiği gibi). Yazıcı kablosunun kabloları yerine herhangi bir uzun kablo kullanılabilir.

Fotodirençten çıkan bir kabloyu Arduino'nun 5V güç çıkışına bağlayın. Fotodirençten gelen diğer kabloyu, Arduino'nun analog giriş bağlantı noktalarından birine giden bir kabloya bağlayın. Ardından paralel olarak 10 kilo ohm'luk bir direnç ekleyin ve direnci Arduino'nun toprak bağlantısına bağlayın. Son şekil kavramsal olarak bu bağlantıların nasıl yapılabileceğini gösterir (devrik.io'ya kredi).

Adım 11: Tüm Bileşenleri Arduino'ya Bağlayın

Bilgisayarınızı Arduino'ya bağlayın ve ekli kodu ona yükleyin. Kodu indirdikten sonra, ihtiyaçlarınıza ve tercihlerinize göre ayarlayabilirsiniz. Şu anda, Arduino her çalıştırıldığında 125 ölçüm alır (aynı zamanda bu ölçümlerin sonunda ortalamasını alır) ve analog sinyali A2'ye yol açar. Kodun en üstünde numunenizin adını ve numune tarihini değiştirebilirsiniz. Sonuçları görüntülemek için Arduino masaüstü arayüzünün sağ üst köşesindeki seri monitör düğmesine basın.

Biraz dağınık olsa da, Arduino devresinin her bir bileşenini nasıl bağladığımı görebilirsiniz. İki breadboard kullandım, ancak bir tanesiyle kolayca yapabilirsiniz. Ek olarak LED ışık kaynağım Arduino'ya bağlı, ancak isterseniz bunun için farklı bir güç kaynağı kullanabilirsiniz.

Adım 12: Numune Tutucunuzu Dosya Kutusu Muhafazasına yerleştirin

Ev yapımı spektrofotometrenizi oluşturmanın son adımı, numune tutucuyu dosya kutusu kasasına yerleştirmektir. Telleri fotodirençten geçirmek için dosya kutusunda küçük bir yarık kestim. Bu son adımı bir bilimden çok bir sanat olarak ele aldım, çünkü sistemin her bir bileşeninin önceden yerleştirilmesi, örnek tutucunun dosya kutusu kasasındaki konumunu etkileyeceğinden. Numune tutucuyu, numune tutucudaki yarığı ayrı bir ışık rengiyle hizalayabileceğiniz şekilde konumlandırın. Örneğin, Arduino'yu, yarıktan sadece sarı ışık fotorezistöre geçerken turuncu ışık ve yeşil ışık yarığın her iki tarafına yansıyacak şekilde konumlandırabilirsiniz. Numune tutucudaki yarıktan yalnızca bir renk için ışığın geçtiği bir yer bulduğunuzda, birbirinin rengine karşılık gelen yerleri belirlemek için numune tutucuyu yanlamasına hareket ettirin (unutmayın, ROYGBV). Fotodirenci yalnızca bir rengin ışığın ulaşabileceği yerleri işaretlemek için dosya kutusu kasasının alt kısmı boyunca düz çizgiler çizmek için bir kurşun kalem kullanın. Okuma yaparken bu işaretlerden sapmamamı sağlamak için numune tutucunun önüne ve arkasına iki Jenga bloğu bantladım.

Adım 13: Ev Yapımı Spektrofotometrenizi Test Edin - Bir Spektrum Oluşturun

Ev yapımı spektrofotometremle birkaç test yaptım. Bir çevre mühendisi olarak su kalitesiyle ilgileniyorum ve evimin yanındaki küçük bir dereden su örnekleri aldım. Numune alırken temiz kap kullanmanız ve numune alırken kabın arkasında durmanız önemlidir. Numunenin arkasında durmak (yani toplama noktasının akış aşağısında), numunenizin kontaminasyonunu önlemeye yardımcı olur ve akıştaki faaliyetinizin numuneyi etkileme derecesini azaltır. Bir örnekte (Örnek A), az miktarda Mucize-Gro (örnek hacmime göre iç mekan bitkileri için uygun miktar) ekledim ve diğer örnekte hiçbir şey eklemedim (Örnek B). Bu örnekleri fotosenteze izin vermek için kapakları olmayan iyi aydınlatılmış bir odada bıraktım (gaz değişimi için kapakları kapalı tutarak). Resimlerde görüldüğü gibi Mucize-Gro ile takviye edilen numune yeşil platonik alglerle doygun hale gelirken, Mucize-Gro içermeyen numune yaklaşık 15 gün sonra önemli bir büyüme yaşamamıştır. Alglerle doyurulduktan sonra, Örnek A'nın bir kısmını 50 mL'lik konik tüplerde seyreltdim ve aynı iyi aydınlatılmış odada kapakları olmadan bıraktım. Yaklaşık 5 gün sonra, renklerinde alg büyümesini gösteren gözle görülür farklılıklar vardı. Dört dilüsyondan birinin ne yazık ki işlem sırasında kaybolduğunu unutmayın.

Kirli tatlı sularda yetişen çeşitli alg türleri vardır. Alglerin fotoğraflarını mikroskop kullanarak çektim ve bunların ya klorokok ya da klorella olduğuna inanıyorum. En az bir başka alg türü de var gibi görünüyor. Bu türleri teşhis edebiliyorsanız lütfen bana bildirin!

Örnek A'daki algleri büyüttükten sonra küçük bir örnek aldım ve ev yapımı spektrofotometredeki test tüpüne ekledim. Arduino'nun her bir ışık rengi için çıktılarını kaydettim ve her çıktıyı her bir renk aralığının ortalama dalga boyu ile ilişkilendirdim. Yani:

Kırmızı Işık = 685 nm

Turuncu Işık = 605 nm

Sarı Işık = 580 nm

Yeşil Işık = 532,5 nm

Mavi Işık = 472,5 nm

Mor Işık = 415 nm

Ayrıca, numune tutucuya bir Deer Park suyu numunesi yerleştirildiğinde, her bir ışık rengi için Arduino'nun çıktılarını kaydettim.

Beer Yasasını kullanarak, Deep Park su absorbans bölümünün 10 tabanlı logaritmasını Örnek A absorbansına bölerek her ölçüm için absorbans değerini hesapladım. Absorbans değerlerini, en düşük değerin absorbansı sıfır olacak şekilde kaydırdım ve sonuçları çizdim. Bu sonuçları, pigment türlerini tahmin etmeye çalışmak için yaygın pigmentlerin (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) absorbans spektrumuyla karşılaştırabilirsiniz. alg örneğinde bulunur.

Adım 14: Ev Yapımı Spektrofotometrenizi Test Edin - Dezenfeksiyon Deneyi

Ev yapımı spektrofotometrenizle çeşitli farklı aktiviteler gerçekleştirebilirsiniz. Burada, farklı konsantrasyonlarda çamaşır suyuna maruz kaldığında alglerin nasıl bozulduğunu görmek için bir deney yaptım. Sodyum hipoklorit (yani ağartıcı) konsantrasyonu %2,40 olan bir ürün kullandım. 50 mL konik tüplere 50 mL Örnek A ekleyerek başladım. Daha sonra numunelere farklı miktarlarda çamaşır suyu solüsyonu ekledim ve spektrofotometre ile ölçümler yaptım. Numunelere 4 mL ve 2 mL ağartma solüsyonu eklenmesi, numunelerin neredeyse anında berraklaşmasına neden oldu, bu da alglerin neredeyse anında dezenfeksiyonunu ve deaktivasyonunu gösterir. Numunelere yalnızca 1 mL ve 0,5 mL (bir pipetten yaklaşık 15 damla) ağartma çözeltisi eklenmesi, ev yapımı spektrofotometre kullanılarak ölçüm yapılması ve zamanın bir fonksiyonu olarak model bozulması için yeterli zaman tanıdı. Bunu yapmadan önce, ağartma çözeltisi için bir spektrum oluşturmak için son adımdaki prosedürü kullanmıştım ve çözeltinin kırmızı ışıkta dalga boyunun, kırmızı ışık dalga boylarında absorbans kullanarak alg deaktivasyonuna yaklaşmada çok az müdahale olacak kadar düşük olduğunu belirledim. ışık. Kırmızı ışıkta, Arduino'dan gelen arka plan okuması 535 [-] idi. Birkaç ölçüm yapmak ve Bira Yasasını uygulamak, gösterilen iki eğriyi oluşturmamı sağladı. Absorbans değerlerinin, en düşük absorbe edilen değer 0 olacak şekilde kaydırıldığına dikkat edin.

Bir hemasitometre mevcutsa, Örnek A'daki hücre konsantrasyonuyla absorbansı ilişkilendiren doğrusal bir regresyon geliştirmek için gelecekteki deneyler kullanılabilir. Bu ilişki daha sonra Watson-Crick denkleminde ağartıcı kullanılarak alglerin deaktivasyonu için CT değerini belirlemek için kullanılabilir..

Adım 15: Önemli Çıkarımlar

Bu proje sayesinde çevre biyolojisi ve ekolojisi için temel ilkeler hakkındaki bilgilerimi artırdım. Bu deney, su ortamlarında fotoototrofların büyüme ve bozulma kinetiği konusundaki anlayışımı daha da geliştirmeme izin verdi. Ek olarak, spektrofotometreler gibi araçların çalışmasına izin veren mekanizmalar hakkında daha fazla şey öğrenirken çevresel örnekleme ve analiz teknikleri uyguladım. Örnekleri mikroskop altında incelerken organizmaların mikroçevreleri hakkında daha fazla şey öğrendim ve bireysel türlerin fiziksel yapılarına aşina oldum.