Spectrophotomètre à bloc Jenga fait maison pour les expériences sur les algues : 15 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Les algues sont des protistes photosynthétiques et, en tant que telles, sont des organismes essentiels dans les chaînes alimentaires aquatiques. Pendant les mois de printemps et d'été, cependant, ces micro-organismes et d'autres peuvent se multiplier et submerger les ressources naturelles en eau, entraînant un appauvrissement en oxygène et la production de substances toxiques. Comprendre la vitesse à laquelle ces organismes se développent peut être utile pour protéger les ressources en eau ainsi que pour développer des technologies qui exploitent leur pouvoir. De plus, comprendre la vitesse à laquelle ces organismes sont désactivés peut être utile dans le traitement de l'eau et des eaux usées. Dans cette enquête, je vais tenter de construire un spectrophotomètre à faible coût pour analyser les taux de décomposition des organismes exposés à l'eau de Javel dans l'eau échantillonnée à Park Creek à Horsham, en Pennsylvanie. Un échantillon d'eau de ruisseau recueilli sur le site sera fertilisé avec un mélange nutritif et laissé à la lumière du soleil pour favoriser la croissance des algues. Le spectrophotomètre maison permettra à la lumière à des longueurs d'onde discrètes de traverser un flacon de l'échantillon avant d'être détecté par une photorésistance connectée à un circuit Arduino. À mesure que la densité d'organismes dans l'échantillon augmente, la quantité de lumière absorbée par l'échantillon devrait augmenter. Cet exercice mettra l'accent sur les concepts d'électronique, d'optique, de biologie, d'écologie et de mathématiques.

J'ai développé l'idée de mon spectrophotomètre à partir de l'Instructable "Student Spectrophotometer" de Satchelfrost et de l'article "A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer" de Daniel R. Albert, Michael A. Todt et H. Floyd Davis.

Étape 1: Créez votre cadre Light Path

La première étape de ce Instructable consiste à créer un cadre de chemin de lumière à partir de six blocs Jenga et de ruban adhésif. Le cadre du chemin lumineux sera utilisé pour positionner et supporter la source lumineuse, le dispositif de grossissement et le réseau de diffraction CD. Créez deux longues bandes en collant trois blocs Jenga sur une ligne, comme indiqué dans la première image. Collez ces bandes ensemble comme indiqué sur la deuxième photo.

Étape 2: Créez une base pour votre appareil de grossissement et attachez-la au cadre Light Path

Le dispositif de grossissement sera apposé sur le cadre du chemin lumineux et concentrera la lumière émise par la LED avant de se diffracter du CD. Collez ensemble deux blocs Jenga de sorte que le milieu d'un bloc soit à angle droit par rapport à l'extrémité d'un autre bloc, comme indiqué dans la première image. Fixez le dispositif de grossissement à cette base à l'aide de ruban adhésif, comme indiqué dans la troisième image. J'ai utilisé une petite loupe pas chère que j'ai depuis plusieurs années. Après avoir fixé le dispositif de grossissement à sa base, j'ai collé le dispositif de grossissement sur le cadre du chemin lumineux. J'ai positionné mon appareil de grossissement à 13,5 cm du bord du cadre du chemin lumineux, mais vous devrez peut-être fixer votre appareil à une position différente en fonction de la distance focale de la loupe.

Étape 3: Créez votre source de lumière

Pour limiter la quantité de lumière non concentrée pouvant atteindre le réseau de diffraction du CD et la photorésistance, j'ai utilisé du ruban isolant pour fixer une ampoule LED blanche à l'intérieur d'un capuchon de stylo noir qui avait un petit trou dans le haut. La première image montre la LED, la deuxième image montre le capuchon du stylo LED scotché. J'ai utilisé de petits morceaux de ruban isolant pour empêcher la lumière de briller à l'arrière de la LED où se trouvent les fils d'anode et de cathode.

Après avoir créé le capuchon du stylo LED, j'ai attaché la LED à une résistance de 220 ohms et à une source d'alimentation. J'ai câblé la LED aux connexions 5V et à la terre d'un microcontrôleur Arduino Uno, mais n'importe quelle source d'alimentation CC externe peut être utilisée. La résistance est importante pour éviter que la lumière LED ne s'éteigne.

Étape 4: Fixez la source lumineuse au cadre du chemin lumineux

Collez un autre bloc Jenga près de la fin du cadre du chemin lumineux pour fournir une plate-forme pour la source lumineuse. Dans mon installation, le bloc Jenga supportant la source lumineuse était positionné à environ 4 cm du bord du cadre du chemin lumineux. Comme le montre la deuxième image, le placement correct de la source lumineuse est tel que le faisceau lumineux se concentre à travers le dispositif de grossissement à l'extrémité opposée du cadre du trajet optique où se trouvera le réseau de diffraction CD.

Étape 5: placez le cadre du chemin lumineux, le dispositif de grossissement et la source lumineuse dans le boîtier de la boîte de classement

Utilisez une boîte de classement ou un autre récipient scellable avec des côtés opaques comme boîtier pour contenir chacun des composants du spectrophotomètre. Comme le montre la figure, j'ai utilisé du ruban adhésif pour fixer le cadre du chemin lumineux, le dispositif de grossissement et la source lumineuse dans le boîtier de la boîte de classement. J'ai utilisé un bloc Jenga pour espacer le cadre du chemin lumineux d'environ 2,5 cm du bord du mur intérieur de la boîte de classement (le bloc Jenga était uniquement utilisé pour l'espacement et a ensuite été retiré).

Étape 6: Coupez et positionnez le réseau de diffraction CD

Utilisez un cutter ou des ciseaux pour découper un CD en un carré avec une face réfléchissante et des côtés d'environ 2,5 cm de long. Utilisez du ruban adhésif pour attacher le CD au bloc Jenga. Jouez avec le positionnement du bloc Jenga et du réseau de diffraction CD pour le positionner de telle sorte qu'il projette un arc-en-ciel sur la paroi opposée du boîtier du classeur lorsque la lumière de la source LED le frappe. Les images ci-jointes montrent comment j'ai positionné ces composants. Il est important que l'arc-en-ciel projeté soit relativement horizontal, comme le montre la dernière image. Une règle et un croquis au crayon à l'intérieur de la paroi de la boîte de classement peuvent aider à déterminer quand la projection est de niveau.

Étape 7: Créez le porte-échantillon

Imprimez le document joint et collez ou collez le papier sur un morceau de carton. Utilisez une paire de ciseaux ou un cutter pour découper le carton en forme de croix. Marquez le carton le long des lignes imprimées au centre de la croix. De plus, découpez de petites fentes à hauteurs égales au milieu de deux bras de la croix en carton, comme illustré; ces fentes permettront à des longueurs d'onde discrètes de lumière de traverser l'échantillon jusqu'à la photorésistance. J'ai utilisé du ruban adhésif pour aider à rendre le carton plus solide. Pliez le carton le long des partitions et collez-le de manière à former un porte-échantillon rectangulaire. Le porte-échantillon doit être bien ajusté autour d'un tube à essai en verre.

Étape 8: Créez et fixez une base pour le porte-échantillon

Collez ensemble trois blocs Jenga et fixez l'ensemble au porte-échantillon comme indiqué. Assurez-vous que la fixation est suffisamment solide pour que le porte-échantillon en carton ne se sépare pas de la base du bloc Jenga lorsque le tube à essai est retiré du porte-échantillon.

Étape 9: ajoutez la photorésistance au porte-échantillon

Les photorésistances sont photoconductrices et diminuent la quantité de résistance qu'elles fournissent à mesure que l'intensité lumineuse augmente. J'ai scotché la photorésistance dans un petit boîtier en bois, mais le boîtier n'est pas nécessaire. Collez la photorésistance arrière de manière à ce que sa face de détection soit positionnée directement contre la fente que vous avez découpée dans le porte-échantillon. Essayez de positionner la photorésistance de manière à ce que le plus de lumière possible la frappe après avoir traversé l'échantillon et les fentes du porte-échantillon.

Étape 10: Câblez la photorésistance

Pour câbler la photorésistance dans le circuit Arduino, j'ai d'abord coupé et dénudé les fils d'un ancien câble d'imprimante USB. J'ai collé trois blocs ensemble comme indiqué, puis j'ai attaché les fils dénudés à cette base. À l'aide de deux épissures bout à bout, j'ai connecté les fils du câble de l'imprimante USB aux bornes de la photorésistance et j'ai collé les bases ensemble pour former une unité (comme indiqué dans la quatrième image). Tous les fils longs peuvent être utilisés à la place des fils du câble de l'imprimante.

Connectez un fil émanant de la photorésistance à la sortie d'alimentation 5V de l'Arduino. Connectez l'autre fil de la photorésistance à un fil menant à l'un des ports analogiques de l'Arduino. Ensuite, ajoutez une résistance de 10 kilo-ohms en parallèle et connectez la résistance à la connexion à la terre de l'Arduino. La dernière figure montre conceptuellement comment ces connexions peuvent être établies (crédit à circuit.io).

Étape 11: connectez tous les composants à l'Arduino

Connectez votre ordinateur à l'Arduino et téléchargez-y le code joint. Une fois que vous avez téléchargé le code, vous pouvez l'ajuster en fonction de vos besoins et de vos préférences. Actuellement, l'Arduino prend 125 mesures à chaque fois qu'il est exécuté (il fait également la moyenne de ces mesures à la fin), et son signal analogique conduit à A2. En haut du code, vous pouvez modifier le nom de votre échantillon et la date de l'échantillon. Pour afficher les résultats, appuyez sur le bouton du moniteur série en haut à droite de l'interface de bureau Arduino.

Bien que ce soit un peu brouillon, vous pouvez voir comment j'ai fini par connecter chaque composant du circuit Arduino. J'ai utilisé deux planches à pain, mais vous pouvez facilement le faire avec un seul. De plus, ma source de lumière LED est connectée à l'Arduino, mais vous pouvez utiliser une alimentation différente si vous préférez.

Étape 12: placez votre porte-échantillon dans le boîtier de la boîte de classement

La dernière étape de la création de votre spectrophotomètre maison consiste à placer le porte-échantillon dans le boîtier de la boîte de classement. J'ai découpé une petite fente dans la boîte à limes pour faire passer les fils de la photorésistance. J'ai traité cette dernière étape plus comme un art que comme une science, car le placement préalable de chaque composant du système affectera le positionnement du porte-échantillon dans le boîtier de la boîte de classement. Positionnez le porte-échantillon de manière à pouvoir aligner la fente du porte-échantillon avec une couleur de lumière individuelle. Par exemple, vous pouvez positionner l'Arduino de sorte que la lumière orange et la lumière verte se projettent de chaque côté de la fente tandis que seule la lumière jaune traverse la fente jusqu'à la photorésistance. Une fois que vous avez trouvé un emplacement où une seule couleur de lumière passe à travers la fente du porte-échantillon, déplacez le porte-échantillon latéralement pour identifier les emplacements correspondants pour chaque autre couleur (rappelez-vous, ROYGBV). Utilisez un crayon pour tracer des lignes droites le long du bas du boîtier de la boîte de classement pour marquer les emplacements où une seule couleur de lumière est capable d'atteindre la photorésistance. J'ai collé deux blocs Jenga devant et derrière le porte-échantillon pour m'assurer que je ne m'écartais pas de ces marques lors de la prise de lecture.

Étape 13: Testez votre spectrophotomètre maison - Créez un spectre

J'ai fait plusieurs tests avec mon spectrophotomètre maison. En tant qu'ingénieur en environnement, je m'intéresse à la qualité de l'eau et j'ai prélevé des échantillons d'eau dans un petit ruisseau près de ma maison. Lors du prélèvement d'échantillons, il est important que vous utilisiez un récipient propre et que vous vous teniez derrière le récipient pendant l'échantillonnage. Se tenir derrière l'échantillon (c. Dans un échantillon (échantillon A), j'ai ajouté une petite quantité de Miracle-Gro (la quantité appropriée pour les plantes d'intérieur, compte tenu de mon volume d'échantillon), et dans l'autre échantillon, je n'ai rien ajouté (échantillon B). J'ai laissé ces échantillons reposer dans une pièce bien éclairée sans leurs couvercles pour permettre la photosynthèse (en gardant les couvercles fermés pour permettre l'échange de gaz). Comme vous pouvez le voir, sur les images, l'échantillon qui a été complété avec Miracle-Gro est devenu saturé d'algues vertes platoniques, tandis que l'échantillon sans Miracle-Gro n'a connu aucune croissance significative après environ 15 jours. Après qu'il ait été saturé d'algues, j'ai dilué une partie de l'échantillon A dans des tubes coniques de 50 ml et les ai laissés dans la même pièce bien éclairée sans leurs couvercles. Environ 5 jours plus tard, il y avait déjà des différences notables dans leur couleur, indiquant la croissance des algues. A noter qu'une des quatre dilutions a malheureusement été perdue dans le processus.

Il existe différents types d'espèces d'algues qui poussent dans les eaux douces polluées. J'ai pris des photos des algues à l'aide d'un microscope et je pense qu'il s'agit soit de chlorococcum, soit de chlorella. Au moins une autre espèce d'algues semble également être présente. S'il vous plaît laissez-moi savoir si vous êtes en mesure d'identifier ces espèces!

Après avoir cultivé les algues dans l'échantillon A, j'en ai prélevé un petit échantillon et je l'ai ajouté au tube à essai dans le spectrophotomètre fait maison. J'ai enregistré les sorties de l'Arduino pour chaque couleur de lumière et associé chaque sortie à la longueur d'onde moyenne de chaque gamme de couleurs. C'est-à-dire:

Lumière rouge = 685 nm

Lumière orange = 605 nm

Lumière jaune = 580 nm

Feu vert = 532,5 nm

Lumière bleue = 472,5 nm

Lumière violette = 415 nm

J'ai également enregistré les sorties de l'Arduino pour chaque couleur de lumière lorsqu'un échantillon d'eau de Deer Park a été placé dans le porte-échantillon.

En utilisant la loi de Beer, j'ai calculé la valeur d'absorbance pour chaque mesure en prenant le logarithme en base 10 du quotient de l'absorbance de l'eau de Deep Park divisé par l'absorbance de l'échantillon A. J'ai décalé les valeurs d'absorbance de sorte que l'absorbance de la valeur la plus basse soit nulle et j'ai tracé les résultats. Vous pouvez comparer ces résultats au spectre d'absorbance des pigments courants (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) pour essayer de deviner les types de pigments. contenu dans l'échantillon d'algues.

Étape 14: Testez votre spectrophotomètre maison - Expérience de désinfection

Avec votre spectrophotomètre maison, vous pouvez effectuer une variété d'activités différentes. Ici, j'ai mené une expérience pour voir comment les algues se décomposent lorsqu'elles sont exposées à différentes concentrations d'eau de Javel. J'ai utilisé un produit avec une concentration d'hypochlorite de sodium (c'est-à-dire d'eau de Javel) de 2,40%. J'ai commencé par ajouter 50 ml d'échantillon A dans des tubes coniques de 50 ml. J'ai ensuite ajouté différentes quantités de solution d'eau de Javel aux échantillons et pris des mesures à l'aide du spectrophotomètre. L'ajout de 4 ml et 2 ml de solution d'eau de Javel aux échantillons a rendu les échantillons clairs presque immédiatement, indiquant une désinfection et une désactivation presque immédiates des algues. L'ajout de seulement 1 ml et 0,5 ml (environ 15 gouttes d'une pipette) de la solution d'eau de Javel aux échantillons a laissé suffisamment de temps pour prendre des mesures à l'aide du spectrophotomètre maison et de la décroissance du modèle en fonction du temps. Avant de le faire, j'avais utilisé la procédure de la dernière étape pour construire un spectre pour la solution d'eau de Javel et déterminé que la longueur d'onde de la solution à la lumière rouge était suffisamment faible pour qu'il y ait peu d'interférences avec la désactivation approximative des algues en utilisant l'absorbance aux longueurs d'onde du rouge léger. Au feu rouge, la lecture de fond de l'Arduino était de 535 [-]. La prise de plusieurs mesures et l'application de la loi de Beer m'ont permis de construire les deux courbes représentées. Notez que les valeurs d'absorbance ont été décalées de sorte que la valeur absorbée la plus basse soit 0.

Si un hémocytomètre est disponible, des expériences futures pourraient être utilisées pour développer une régression linéaire qui relie l'absorbance à la concentration cellulaire dans l'échantillon A. Cette relation pourrait ensuite être utilisée dans l'équation de Watson-Crick pour déterminer la valeur CT pour la désactivation des algues à l'aide d'eau de Javel..

Étape 15: Points clés à retenir

Grâce à ce projet, j'ai développé ma connaissance des principes fondamentaux de la biologie environnementale et de l'écologie. Cette expérience m'a permis d'approfondir ma compréhension de la cinétique de croissance et de décroissance des photoautotrophes en milieu aquatique. De plus, j'ai pratiqué des techniques d'échantillonnage et d'analyse environnementales tout en apprenant davantage sur les mécanismes qui permettent à des outils comme les spectrophotomètres de fonctionner. En analysant des échantillons au microscope, j'ai appris davantage sur les microenvironnements des organismes et me suis familiarisé avec les structures physiques des espèces individuelles.