Spektrofotometer Blok Jenga Buatan Sendiri untuk Percobaan Alga: 15 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Alga adalah protista fotosintesis dan, dengan demikian, adalah organisme penting dalam rantai makanan akuatik. Selama bulan-bulan musim semi dan musim panas, bagaimanapun, mikroorganisme ini dan lainnya dapat berkembang biak dan membanjiri sumber daya air alami, yang mengakibatkan penipisan oksigen dan produksi zat beracun. Memahami tingkat pertumbuhan organisme ini dapat berguna dalam melindungi sumber daya air serta mengembangkan teknologi yang memanfaatkan kekuatan mereka. Selain itu, memahami tingkat di mana organisme ini dinonaktifkan dapat berguna dalam pengolahan air dan air limbah. Dalam penyelidikan ini, saya akan mencoba membuat spektrofotometer berbiaya rendah untuk menganalisis tingkat peluruhan organisme yang terpapar pemutih klorin dalam sampel air dari Park Creek di Horsham, Pennsylvania. Sampel air sungai yang dikumpulkan dari lokasi akan dibuahi dengan campuran nutrisi dan dibiarkan di bawah sinar matahari untuk mendorong pertumbuhan alga. Spektrofotometer buatan sendiri akan memungkinkan cahaya pada panjang gelombang diskrit melewati botol sampel sebelum dideteksi oleh fotoresistor yang terhubung ke sirkuit Arduino. Ketika kepadatan organisme dalam sampel meningkat, jumlah cahaya yang diserap oleh sampel diperkirakan akan meningkat. Latihan ini akan menekankan konsep-konsep dalam elektronik, optik, biologi, ekologi, dan matematika.

Saya telah mengembangkan ide untuk spektrofotometer saya dari “Spektrofotometer Siswa” yang Dapat Diinstruksikan oleh Satchelfrost dan makalah “Spektrofotometer Serapan Kuantitatif Berbiaya Rendah” oleh Daniel R. Albert, Michael A. Todt, dan H. Floyd Davis.

Langkah 1: Buat Bingkai Jalur Cahaya Anda

Langkah pertama dalam Instructable ini adalah membuat bingkai jalur cahaya dari enam blok Jenga dan pita. Bingkai jalur cahaya akan digunakan untuk memposisikan dan mendukung sumber cahaya, perangkat perbesaran, dan kisi difraksi CD. Buat dua strip panjang dengan menempelkan tiga blok Jenga dalam satu garis seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama. Rekatkan strip ini bersama-sama seperti yang ditunjukkan pada foto kedua.

Langkah 2: Buat Basis untuk Perangkat Pembesaran Anda dan Lampirkan ke Bingkai Jalur Cahaya

Perangkat pembesaran akan ditempelkan pada bingkai jalur cahaya dan memusatkan cahaya yang dipancarkan oleh LED sebelum difraksi dari CD. Rekatkan dua balok Jenga sedemikian rupa sehingga bagian tengah satu balok tegak lurus dengan ujung balok lain seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama. Pasang perangkat pembesaran ke dasar ini menggunakan selotip seperti yang ditunjukkan pada gambar ketiga. Saya menggunakan kaca pembesar kecil dan murah yang saya miliki selama beberapa tahun. Setelah memasang perangkat pembesaran ke dasarnya, saya menempelkan perangkat pembesaran ke bingkai jalur cahaya. Saya memposisikan perangkat pembesaran saya 13,5 cm dari tepi bingkai jalur cahaya, tetapi Anda mungkin perlu memperbaiki perangkat Anda pada posisi yang berbeda tergantung pada panjang fokus kaca pembesar.

Langkah 3: Buat Sumber Cahaya Anda

Untuk membatasi jumlah cahaya tidak terkonsentrasi yang dapat mencapai kisi difraksi CD dan fotoresistor, saya menggunakan pita listrik untuk memasang bohlam LED putih di dalam tutup pena hitam yang memiliki lubang kecil di bagian atas. Gambar pertama menunjukkan LED, gambar kedua menunjukkan tutup pena LED yang direkatkan. Saya menggunakan potongan kecil pita listrik untuk mencegah cahaya bersinar dari bagian belakang LED di mana kabel anoda dan katoda berada.

Setelah membuat tutup pena LED, saya memasang LED ke resistor 220 ohm dan sumber daya. Saya memasang kabel LED ke 5V mikrokontroler Arduino Uno dan koneksi ground, tetapi sumber daya DC eksternal apa pun dapat digunakan. Resistor penting untuk mencegah lampu LED terbakar.

Langkah 4: Amankan Sumber Cahaya ke Bingkai Jalur Cahaya

Rekatkan blok Jenga lain di dekat ujung bingkai jalur cahaya untuk menyediakan platform bagi sumber cahaya. Dalam pengaturan saya, balok Jenga yang menopang sumber cahaya diposisikan kira-kira 4 cm dari tepi bingkai jalur cahaya. Seperti yang ditunjukkan pada gambar kedua, penempatan sumber cahaya yang benar adalah sedemikian rupa sehingga berkas cahaya terfokus melalui perangkat pembesaran di ujung yang berlawanan dari bingkai jalur cahaya di mana kisi difraksi CD akan berada.

Langkah 5: Tempatkan Bingkai Jalur Cahaya, Perangkat Pembesaran, dan Sumber Cahaya di Casing Kotak File

Gunakan kotak file atau wadah lain yang dapat ditutup rapat dengan sisi buram sebagai casing untuk menampung setiap komponen spektrofotometer. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, saya menggunakan selotip untuk mengamankan bingkai jalur cahaya, perangkat perbesaran, dan sumber cahaya di casing kotak file. Saya menggunakan satu blok Jenga untuk memberi jarak bingkai jalur cahaya sekitar 2,5 cm dari tepi dinding bagian dalam kotak file (blok Jenga hanya digunakan untuk spasi dan kemudian dihapus).

Langkah 6: Potong dan Posisikan Kisi Difraksi CD

Gunakan pisau hobi atau gunting untuk memotong CD menjadi persegi dengan permukaan reflektif dan panjang sisi sekitar 2,5 cm. Gunakan selotip untuk menempelkan CD ke blok Jenga. Mainkan dengan posisi blok Jenga dan kisi difraksi CD untuk memposisikannya sedemikian rupa sehingga memproyeksikan pelangi di dinding yang berlawanan dari casing kotak file ketika cahaya dari sumber LED mengenainya. Gambar terlampir menunjukkan bagaimana saya memposisikan komponen ini. Adalah penting bahwa pelangi yang diproyeksikan relatif datar seperti yang ditunjukkan pada gambar terakhir. Sketsa penggaris dan pensil di bagian dalam dinding kotak arsip dapat membantu menentukan kapan proyeksi rata.

Langkah 7: Buat Pemegang Sampel

Cetak dokumen terlampir, dan rekatkan atau rekatkan kertas ke selembar karton. Gunakan gunting atau pisau hobi untuk memotong karton menjadi bentuk salib. Skor karton di sepanjang garis tercetak di tengah salib. Selain itu, potong celah kecil dengan ketinggian yang sama di tengah dua lengan salib karton seperti yang ditunjukkan; celah ini akan memungkinkan panjang gelombang cahaya diskrit melewati sampel ke fotoresistor. Saya menggunakan selotip untuk membantu membuat karton lebih kokoh. Lipat karton di sepanjang skor dan rekatkan sehingga tempat sampel berbentuk persegi panjang. Tempat sampel harus pas di sekitar tabung reaksi kaca.

Langkah 8: Buat dan Pasang Basis untuk Pemegang Sampel

Rekatkan tiga balok Jenga dan pasang rakitan ke tempat sampel seperti yang ditunjukkan. Pastikan pelekatan cukup kuat agar tempat sampel karton tidak terlepas dari alas balok Jenga saat tabung reaksi ditarik keluar dari tempat sampel.

Langkah 9: Tambahkan Photoresistor ke Sample Holder

Fotoresistor bersifat fotokonduktif dan mengurangi jumlah resistansi yang diberikannya saat intensitas cahaya meningkat. Saya menempelkan fotoresistor ke dalam rumah kayu kecil, tetapi rumah itu tidak diperlukan. Rekatkan fotoresistor belakang sedemikian rupa sehingga permukaan penginderaannya diposisikan langsung pada celah yang Anda potong di tempat sampel. Cobalah untuk memposisikan fotoresistor sehingga cahaya sebanyak mungkin mengenainya setelah melewati sampel dan celah pemegang sampel.

Langkah 10: Kawat Photoresistor

Untuk memasang fotoresistor di sirkuit Arduino, pertama-tama saya memotong dan melepaskan kabel kabel printer USB lama. Saya merekatkan tiga blok bersama-sama seperti yang ditunjukkan, dan kemudian memasang kabel yang dilucuti ke pangkalan ini. Menggunakan dua sambungan butt, saya menghubungkan kabel kabel printer USB ke terminal fotoresistor dan merekatkan dasar bersama-sama untuk membentuk satu unit (seperti yang ditunjukkan pada gambar keempat). Kabel panjang apa pun dapat digunakan sebagai pengganti kabel kabel printer.

Hubungkan satu kabel yang berasal dari fotoresistor ke output daya 5V Arduino. Hubungkan kabel lain dari fotoresistor ke kabel yang mengarah ke salah satu port analog Arduino. Kemudian, tambahkan resistor 10 kilo-ohm secara paralel dan hubungkan resistor ke koneksi ground Arduino. Gambar terakhir secara konseptual menunjukkan bagaimana koneksi ini dapat dibuat (kredit ke circuit.io).

Langkah 11: Hubungkan Semua Komponen ke Arduino

Hubungkan komputer Anda ke Arduino dan unggah kode terlampir ke dalamnya. Setelah Anda mengunduh kode, Anda dapat menyesuaikannya agar sesuai dengan kebutuhan dan preferensi Anda. Saat ini, Arduino melakukan 125 pengukuran setiap kali dijalankan (juga rata-rata pengukuran ini di akhir), dan sinyal analognya mengarah ke A2. Di bagian atas kode, Anda dapat mengubah nama sampel dan tanggal sampel. Untuk melihat hasilnya, tekan tombol serial monitor di kanan atas antarmuka desktop Arduino.

Meskipun agak berantakan, Anda dapat melihat bagaimana saya akhirnya menghubungkan setiap komponen sirkuit Arduino. Saya menggunakan dua papan tempat memotong roti, tetapi Anda dapat melakukannya dengan mudah hanya dengan satu. Selain itu, sumber cahaya LED saya terhubung ke Arduino, tetapi Anda dapat menggunakan catu daya yang berbeda untuk itu jika Anda mau.

Langkah 12: Tempatkan Tempat Sampel Anda di Casing Kotak File

Langkah terakhir dalam membuat spektrofotometer buatan sendiri adalah menempatkan tempat sampel di dalam casing kotak file. Saya memotong celah kecil di kotak file untuk melewatkan kabel dari fotoresistor. Saya memperlakukan langkah terakhir ini lebih sebagai seni daripada sains, karena penempatan sebelumnya dari setiap komponen sistem akan mempengaruhi posisi tempat sampel dalam casing kotak file. Posisikan tempat sampel sedemikian rupa sehingga Anda dapat menyelaraskan celah di tempat sampel dengan warna cahaya tersendiri. Misalnya, Anda dapat memposisikan Arduino sehingga cahaya oranye dan lampu hijau diproyeksikan ke kedua sisi celah sementara hanya cahaya kuning yang melewati celah ke fotoresistor. Setelah Anda menemukan lokasi di mana hanya satu warna untuk cahaya yang melewati celah pada wadah sampel, gerakkan wadah sampel ke samping untuk mengidentifikasi lokasi yang sesuai untuk setiap warna lainnya (ingat, ROYGBV). Gunakan pensil untuk menggambar garis lurus di sepanjang bagian bawah casing kotak file untuk menandai lokasi di mana hanya satu warna cahaya yang dapat mencapai fotoresistor. Saya menempelkan dua balok Jenga di depan dan di belakang tempat sampel untuk membantu memastikan saya tidak menyimpang dari tanda-tanda ini saat melakukan pembacaan.

Langkah 13: Uji Spektrofotometer Buatan Sendiri - Buat Spektrum

Saya menjalankan beberapa tes dengan spektrofotometer buatan saya. Sebagai seorang insinyur lingkungan, saya tertarik dengan kualitas air dan mengambil sampel air dari sungai kecil di dekat rumah saya. Saat mengambil sampel, Anda harus menggunakan wadah yang bersih dan berdiri di belakang wadah saat pengambilan sampel. Berdiri di belakang sampel (yaitu, hilir titik pengumpulan) membantu mencegah kontaminasi sampel Anda dan mengurangi tingkat aktivitas Anda di aliran yang memengaruhi sampel. Dalam satu sampel (Sampel A), saya menambahkan sedikit Miracle-Gro (jumlah yang sesuai untuk tanaman dalam ruangan, mengingat volume sampel saya), dan di sampel lain saya tidak menambahkan apa pun (Sampel B). Saya meninggalkan sampel ini di ruangan yang cukup terang tanpa tutupnya untuk memungkinkan fotosintesis (menjaga tutupnya memungkinkan untuk pertukaran gas). Seperti yang Anda lihat, pada gambar, sampel yang dilengkapi dengan Miracle-Gro menjadi jenuh dengan alga platonik hijau, sedangkan sampel tanpa Miracle-Gro tidak mengalami pertumbuhan yang signifikan setelah sekitar 15 hari. Setelah jenuh dengan alga, saya mengencerkan beberapa Sampel A dalam tabung kerucut 50 mL dan meninggalkannya di ruangan yang sama terangnya tanpa tutupnya. Kira-kira 5 hari kemudian, sudah terlihat perbedaan warna yang mencolok, yang menandakan pertumbuhan alga. Perhatikan bahwa salah satu dari empat pengenceran sayangnya hilang dalam proses.

Ada berbagai jenis spesies alga yang tumbuh di air tawar tercemar. Saya mengambil foto alga menggunakan mikroskop dan percaya bahwa mereka adalah chlorococcum atau chlorella. Setidaknya satu spesies alga lain tampaknya juga ada. Tolong beri tahu saya jika Anda dapat mengidentifikasi spesies ini!

Setelah menumbuhkan ganggang di Sampel A, saya mengambil sampel kecil dan menambahkannya ke tabung reaksi di spektrofotometer buatan sendiri. Saya merekam output Arduino untuk setiap warna cahaya dan menghubungkan setiap output dengan panjang gelombang rata-rata dari setiap rentang warna. Itu adalah:

Lampu Merah = 685 nm

Cahaya Oranye = 605 nm

Cahaya Kuning = 580 nm

Lampu Hijau = 532,5 nm

Cahaya Biru = 472,5 nm

Cahaya Violet = 415 nm

Saya juga mencatat output Arduino untuk setiap warna cahaya ketika sampel air Taman Rusa ditempatkan di tempat sampel.

Menggunakan Hukum Beer, saya menghitung nilai absorbansi untuk setiap pengukuran dengan mengambil logaritma basis-10 dari hasil bagi absorbansi air Deep Park dibagi dengan absorbansi Sampel A. Saya menggeser nilai absorbansi sehingga nilai absorbansi terendah adalah nol, dan memplot hasilnya. Anda dapat membandingkan hasil ini dengan spektrum absorbansi pigmen umum (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) untuk mencoba menebak jenis pigmen terkandung dalam sampel alga.

Langkah 14: Uji Spektrofotometer Buatan Sendiri - Percobaan Desinfeksi

Dengan spektrofotometer buatan sendiri, Anda dapat melakukan berbagai aktivitas berbeda. Di sini, saya melakukan percobaan untuk melihat bagaimana ganggang membusuk ketika terkena konsentrasi pemutih yang berbeda. Saya menggunakan produk dengan konsentrasi natrium hipoklorit (yaitu, pemutih) 2,40%. Saya mulai dengan menambahkan 50 mL Sampel A ke 50 mL tabung kerucut. Saya kemudian menambahkan jumlah yang berbeda dari larutan pemutih ke sampel dan melakukan pengukuran menggunakan spektrofotometer. Menambahkan 4 mL dan 2 mL larutan pemutih ke sampel menyebabkan sampel menjadi jernih segera, menunjukkan desinfeksi dan penonaktifan alga yang hampir segera. Menambahkan hanya 1 mL dan 0,5 mL (diperkirakan 15 tetes dari pipet) larutan pemutih ke sampel, memberikan waktu yang cukup untuk melakukan pengukuran menggunakan spektrofotometer buatan sendiri dan peluruhan model sebagai fungsi waktu. Sebelum melakukannya, saya telah menggunakan prosedur pada langkah terakhir untuk membangun spektrum untuk larutan pemutih dan menentukan bahwa panjang gelombang larutan pada lampu merah cukup rendah sehingga akan ada sedikit gangguan dengan pendekatan penonaktifan alga menggunakan absorbansi pada panjang gelombang merah. lampu. Saat lampu merah, pembacaan latar belakang dari Arduino adalah 535 [-]. Mengambil beberapa pengukuran dan menerapkan Hukum Beer memungkinkan saya untuk membangun dua kurva yang ditunjukkan. Perhatikan bahwa nilai absorbansi digeser sehingga nilai serapan terendah adalah 0.

Jika hemositometer tersedia, percobaan di masa depan dapat digunakan untuk mengembangkan regresi linier yang menghubungkan absorbansi dengan konsentrasi sel dalam Sampel A. Hubungan ini kemudian dapat digunakan dalam persamaan Watson-Crick untuk menentukan nilai CT untuk penonaktifan alga menggunakan pemutih.

Langkah 15: Takeaways Utama

Melalui proyek ini, saya mengembangkan pengetahuan saya tentang prinsip-prinsip dasar biologi dan ekologi lingkungan. Eksperimen ini memungkinkan saya untuk lebih mengembangkan pemahaman saya tentang kinetika pertumbuhan dan peluruhan fotoautotrof di lingkungan akuatik. Selain itu, saya mempraktikkan teknik dalam pengambilan sampel dan analisis lingkungan sambil mempelajari lebih lanjut tentang mekanisme yang memungkinkan alat seperti spektrofotometer bekerja. Saat menganalisis sampel di bawah mikroskop, saya belajar lebih banyak tentang lingkungan mikro organisme dan menjadi akrab dengan struktur fisik spesies individu.