Espectrofotómetro de bloque Jenga casero para experimentos con algas: 15 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Las algas son protistas fotosintéticos y, como tales, son organismos críticos en las cadenas alimentarias acuáticas. Sin embargo, durante los meses de primavera y verano, estos y otros microorganismos pueden multiplicarse y abrumar los recursos hídricos naturales, lo que resulta en el agotamiento del oxígeno y la producción de sustancias tóxicas. Comprender la velocidad a la que crecen estos organismos puede ser útil para proteger los recursos hídricos y para desarrollar tecnologías que aprovechen su poder. Además, comprender la velocidad a la que se desactivan estos organismos puede ser útil en el tratamiento de agua y aguas residuales. En esta investigación, intentaré construir un espectrofotómetro de bajo costo para analizar las tasas de descomposición de los organismos expuestos al blanqueador de cloro en el agua muestreada de Park Creek en Horsham, Pensilvania. Una muestra de agua del arroyo recolectada en el sitio se fertilizará con una mezcla de nutrientes y se dejará a la luz del sol para promover el crecimiento de algas. El espectrofotómetro casero permitirá que la luz en longitudes de onda discretas pase a través de un vial de la muestra antes de ser detectada por un fotorresistor conectado a un circuito Arduino. A medida que aumenta la densidad de organismos en la muestra, se espera que aumente la cantidad de luz absorbida por la muestra. Este ejercicio enfatizará conceptos en electrónica, óptica, biología, ecología y matemáticas.

Desarrollé la idea de mi espectrofotómetro a partir del “Espectrofotómetro para estudiantes” instructable de Satchelfrost y el artículo “Un espectrofotómetro de absorción cuantitativa de bajo costo” de Daniel R. Albert, Michael A. Todt y H. Floyd Davis.

Paso 1: crea tu marco de camino de luz

El primer paso en este Instructable es crear un marco de trayectoria de luz a partir de seis bloques Jenga y cinta. El marco de la trayectoria de la luz se utilizará para colocar y soportar la fuente de luz, el dispositivo de aumento y la rejilla de difracción de CD. Cree dos tiras largas pegando tres bloques Jenga en una línea como se muestra en la primera imagen. Pegue estas tiras juntas como se muestra en la segunda foto.

Paso 2: Cree una base para su dispositivo de aumento y fíjela al marco Light Path

El dispositivo de aumento se colocará en el marco de la trayectoria de la luz y concentrará la luz emitida por el LED antes de difractar fuera del CD. Une con cinta adhesiva dos bloques de Jenga de modo que la mitad de un bloque esté en ángulo recto con el final de otro bloque, como se muestra en la primera imagen. Fije el dispositivo de aumento a esta base con cinta adhesiva como se muestra en la tercera imagen. Usé una lupa pequeña y económica que he tenido durante varios años. Después de colocar el dispositivo de aumento en su base, pegué el dispositivo de aumento al marco de la trayectoria de la luz. Coloqué mi dispositivo de aumento a 13,5 cm del borde del marco de la trayectoria de la luz, pero es posible que deba fijar su dispositivo en una posición diferente según la distancia focal de la lupa.

Paso 3: crea tu fuente de luz

Para limitar la cantidad de luz no concentrada que puede llegar a la rejilla de difracción y fotoresistor de CD, utilicé cinta aislante para fijar una bombilla LED blanca dentro de la tapa de un bolígrafo negro que tenía un pequeño orificio en la parte superior. La primera imagen muestra el LED, la segunda imagen muestra la tapa del lápiz LED con cinta adhesiva. Usé pequeños trozos de cinta aislante para evitar que la luz brille desde la parte posterior del LED donde están los cables del ánodo y del cátodo.

Después de crear la tapa del lápiz LED, conecté el LED a una resistencia de 220 ohmios y una fuente de alimentación. Conecté el LED a las conexiones de tierra y de 5 V de un microcontrolador Arduino Uno, pero se podría usar cualquier fuente de alimentación de CC externa. La resistencia es importante para evitar que la luz LED se apague.

Paso 4: Asegure la fuente de luz al marco de la ruta de luz

Pegue otro bloque Jenga cerca del final del marco de la trayectoria de la luz para proporcionar una plataforma para la fuente de luz. En mi configuración, el bloque Jenga que soporta la fuente de luz se colocó aproximadamente a 4 cm del borde del marco de la trayectoria de la luz. Como se muestra en la segunda imagen, la ubicación correcta de la fuente de luz es tal que el haz de luz se enfoca a través del dispositivo de aumento en el extremo opuesto del marco de trayectoria de luz donde estará la rejilla de difracción de CD.

Paso 5: Coloque el marco de trayectoria de luz, el dispositivo de aumento y la fuente de luz en la carcasa de la caja de archivos

Utilice una caja de archivo u otro recipiente sellable con lados opacos como carcasa para contener cada uno de los componentes del espectrofotómetro. Como se muestra en la figura, utilicé cinta adhesiva para asegurar el marco de la trayectoria de la luz, el dispositivo de aumento y la fuente de luz en la carcasa de la caja del archivo. Usé un bloque de Jenga para espaciar el marco de la trayectoria de la luz aproximadamente a 2,5 cm del borde de la pared interior de la caja del archivo (el bloque de Jenga se usó únicamente para espaciar y luego se quitó).

Paso 6: corte y coloque la rejilla de difracción de CD

Utilice un cuchillo de hobby o unas tijeras para cortar un CD en un cuadrado con una cara reflectante y lados de aproximadamente 2,5 cm de largo. Use cinta para pegar el CD al bloque Jenga. Juegue con la posición del bloque Jenga y la rejilla de difracción de CD para colocarlo de manera que proyecte un arco iris en la pared opuesta de la carcasa de la caja de archivos cuando la luz de la fuente LED lo golpee. Las imágenes adjuntas muestran cómo coloqué estos componentes. Es importante que el arco iris proyectado esté relativamente nivelado como se muestra en la última imagen. Una regla y un dibujo a lápiz en el interior de la pared de la caja de archivos pueden ayudar a determinar cuándo la proyección está nivelada.

Paso 7: cree el soporte de la muestra

Imprima el documento adjunto y pegue con cinta adhesiva o pegue el papel en un trozo de cartón. Use un par de tijeras o un cuchillo de hobby para cortar el cartón en forma de cruz. Marque el cartón a lo largo de las líneas impresas en el centro de la cruz. Además, corte pequeñas ranuras a la misma altura en el medio de dos brazos de la cruz de cartón como se muestra; estas rendijas permitirán que longitudes de onda discretas de luz pasen a través de la muestra hasta el fotorresistor. Usé cinta adhesiva para ayudar a que el cartón fuera más resistente. Doble el cartón a lo largo de las marcas y péguelo con cinta adhesiva de modo que se forme un portamuestras rectangular. El portamuestras debe encajar bien alrededor de un tubo de ensayo de vidrio.

Paso 8: Cree y coloque una base para el portamuestras

Pegue con cinta adhesiva tres bloques Jenga y fije el conjunto al portamuestras como se muestra. Asegúrese de que el accesorio sea lo suficientemente fuerte como para que el portamuestras de cartón no se separe de la base del bloque Jenga cuando se extraiga el tubo de ensayo del portamuestras.

Paso 9: agregue el fotoresistor al soporte de muestra

Los fotorresistores son fotoconductores y disminuyen la cantidad de resistencia que proporcionan a medida que aumenta la intensidad de la luz. Pegué el fotoresistor en una pequeña carcasa de madera, pero la carcasa no es necesaria. Pegue con cinta adhesiva el fotorresistor trasero de modo que su cara de detección esté colocada directamente contra la hendidura que cortó en el portamuestras. Intente colocar el fotorresistor de modo que la mayor cantidad de luz posible lo golpee después de pasar a través de la muestra y las ranuras del soporte de la muestra.

Paso 10: Conecte el fotorresistor

Para conectar el fotoresistor en el circuito Arduino, primero corté y pele los cables de un viejo cable de impresora USB. Pegué tres bloques juntos como se muestra, y luego conecté los cables pelados a esta base. Usando dos empalmes a tope, conecté los cables del cable de la impresora USB a los terminales del fotorresistor y pegué las bases para formar una unidad (como se muestra en la cuarta imagen). Se puede utilizar cualquier cable largo en lugar de los cables del cable de la impresora.

Conecte un cable que emana del fotorresistor a la salida de potencia de 5V del Arduino. Conecte el otro cable del fotorresistor a un cable que conduce a uno de los puertos de entrada analógicos de Arduino. Luego, agregue una resistencia de 10 kilo-ohmios en paralelo y conecte la resistencia a la conexión a tierra del Arduino. La última figura muestra conceptualmente cómo se podrían realizar estas conexiones (crédito a circuit.io).

Paso 11: Conecte todos los componentes al Arduino

Conecte su computadora al Arduino y cargue el código adjunto. Una vez que haya descargado el código, puede ajustarlo para que se ajuste a sus necesidades y preferencias. Actualmente, el Arduino toma 125 mediciones cada vez que se ejecuta (también promedia estas mediciones al final), y su señal analógica conduce a A2. En la parte superior del código, puede cambiar el nombre de su muestra y la fecha de la muestra. Para ver los resultados, presione el botón del monitor en serie en la parte superior derecha de la interfaz de escritorio de Arduino.

Aunque está un poco desordenado, puedes ver cómo terminé conectando cada componente del circuito Arduino. Usé dos placas de prueba, pero podrías hacerlo fácilmente con solo una. Además, mi fuente de luz LED está conectada al Arduino, pero puede usar una fuente de alimentación diferente si lo prefiere.

Paso 12: Coloque el soporte de la muestra en la carcasa de la caja de archivos

El paso final para crear su espectrofotómetro casero es colocar el soporte de la muestra en la carcasa de la caja del archivo. Corté una pequeña hendidura en la caja del archivo para pasar los cables del fotorresistor. Traté este último paso más como un arte que como una ciencia, ya que la colocación previa de cada componente del sistema afectará el posicionamiento del portamuestras en la carcasa de la caja del archivo. Coloque el portamuestras de modo que pueda alinear la ranura del portamuestras con un color de luz individual. Por ejemplo, puede colocar el Arduino de modo que la luz naranja y la luz verde se proyecten a ambos lados de la hendidura, mientras que solo la luz amarilla pasa a través de la hendidura hasta el fotorresistor. Una vez que haya encontrado una ubicación donde solo un color de luz pase a través de la ranura en el portamuestras, mueva el portamuestras lateralmente para identificar las ubicaciones correspondientes para cada otro color (recuerde, ROYGBV). Use un lápiz para dibujar líneas rectas a lo largo de la parte inferior de la carcasa de la caja del archivo para marcar las ubicaciones donde solo un color de luz puede llegar al fotorresistor. Pegué con cinta dos bloques de Jenga delante y detrás del portamuestras para asegurarme de no desviarme de estas marcas al tomar lecturas.

Paso 13: Pruebe su espectrofotómetro casero - ¡Cree un espectro

Hice varias pruebas con mi espectrofotómetro casero. Como ingeniero ambiental, estoy interesado en la calidad del agua y tomé muestras de agua de un pequeño arroyo cerca de mi casa. Al tomar muestras, es importante que utilice un recipiente limpio y que se pare detrás del recipiente mientras toma la muestra. Pararse detrás de la muestra (es decir, aguas abajo del punto de recolección) ayuda a prevenir la contaminación de su muestra y reduce el grado en que su actividad en la corriente afecta la muestra. En una muestra (Muestra A), agregué una pequeña cantidad de Miracle-Gro (la cantidad apropiada para plantas de interior, dado mi volumen de muestra), y en la otra muestra no agregué nada (Muestra B). Dejé estas muestras en una habitación bien iluminada sin sus tapas para permitir la fotosíntesis (manteniendo las tapas cerradas para el intercambio de gases). Como puede ver, en las imágenes, la muestra que se complementó con Miracle-Gro se saturó con algas platónicas verdes, mientras que la muestra sin Miracle-Gro no experimentó ningún crecimiento significativo después de aproximadamente 15 días. Después de que se saturó con algas, diluí un poco de la Muestra A en tubos cónicos de 50 ml y los dejé en la misma habitación bien iluminada sin sus tapas. Aproximadamente 5 días después, ya había diferencias notables en su color, lo que indica el crecimiento de algas. Tenga en cuenta que, lamentablemente, una de las cuatro diluciones se perdió en el proceso.

Hay varios tipos de especies de algas que crecen en aguas dulces contaminadas. Tomé fotos de las algas con un microscopio y creo que son clorococcum o chlorella. Parece que también está presente al menos otra especie de algas. ¡Por favor, avíseme si puede identificar estas especies!

Después de cultivar las algas en la Muestra A, tomé una pequeña muestra y la agregué al tubo de ensayo en el espectrofotómetro casero. Grabé las salidas de Arduino para cada color de luz y asocié cada salida con la longitud de onda promedio de cada rango de color. Es decir:

Luz roja = 685 nm

Luz naranja = 605 nm

Luz amarilla = 580 nm

Luz verde = 532,5 nm

Luz azul = 472,5 nm

Luz violeta = 415 nm

También grabé las salidas de Arduino para cada color de luz cuando se colocó una muestra de agua de Deer Park en el portamuestras.

Usando la Ley de Beer, calculé el valor de absorbancia para cada medición tomando el logaritmo en base 10 del cociente de la absorbancia del agua de Deep Park dividido por la absorbancia de la Muestra A. Cambié los valores de absorbancia para que la absorbancia del valor más bajo fuera cero y tracé los resultados. Puede comparar estos resultados con el espectro de absorbancia de pigmentos comunes (Sahoo, D. y Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) Para intentar adivinar los tipos de pigmentos. contenida en la muestra de algas.

Paso 14: Pruebe su espectrofotómetro casero - ¡Experimento de desinfección

Con su espectrofotómetro casero puede realizar una variedad de actividades diferentes. Aquí, realicé un experimento para ver cómo se descomponen las algas cuando se exponen a diferentes concentraciones de lejía. Usé un producto con una concentración de hipoclorito de sodio (es decir, lejía) de 2,40%. Comencé agregando 50 mL de Muestra A a tubos cónicos de 50 mL. Luego agregué diferentes cantidades de la solución de lejía a las muestras y tomé medidas usando el espectrofotómetro. La adición de 4 ml y 2 ml de la solución de lejía a las muestras hizo que las muestras se volvieran claras casi de inmediato, lo que indica una desinfección y desactivación casi inmediata de las algas. La adición de solo 1 ml y 0,5 ml (aproximadamente 15 gotas de una pipeta) de la solución de lejía a las muestras permitió suficiente tiempo para tomar medidas utilizando el espectrofotómetro casero y la descomposición del modelo en función del tiempo. Antes de hacerlo, usé el procedimiento en el último paso para construir un espectro para la solución de lejía y determiné que la longitud de onda de la solución a la luz roja era lo suficientemente baja como para que hubiera poca interferencia con la desactivación aproximada de las algas usando la absorbancia en las longitudes de onda del rojo. luz. En luz roja, la lectura de fondo del Arduino era 535 [-]. Tomar varias medidas y aplicar la ley de Beer me permitió construir las dos curvas que se muestran. Tenga en cuenta que los valores de absorbancia se cambiaron de modo que el valor absorbido más bajo sea 0.

Si se dispone de un hemocitómetro, se podrían utilizar experimentos futuros para desarrollar una regresión lineal que relacione la absorbancia con la concentración celular en la Muestra A. Esta relación se podría utilizar en la ecuación de Watson-Crick para determinar el valor CT para la desactivación de algas utilizando lejía..

Paso 15: Conclusiones clave

A través de este proyecto, desarrollé mi conocimiento de los principios fundamentales de la biología y ecología ambiental. Este experimento me permitió desarrollar aún más mi comprensión de la cinética de crecimiento y descomposición de los fotoautótrofos en ambientes acuáticos. Además, practiqué técnicas de muestreo y análisis ambiental mientras aprendía más sobre los mecanismos que permiten que funcionen herramientas como los espectrofotómetros. Mientras analizaba muestras bajo el microscopio, aprendí más sobre los microambientes de los organismos y me familiaricé con las estructuras físicas de las especies individuales.