Espectrofotômetro de blocos Jenga caseiro para experimentos com algas: 15 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

As algas são protistas fotossintéticos e, como tais, são organismos críticos nas cadeias alimentares aquáticas. Durante os meses de primavera e verão, no entanto, esses e outros microrganismos podem se multiplicar e sobrecarregar os recursos hídricos naturais, resultando no esgotamento do oxigênio e na produção de substâncias tóxicas. Compreender a taxa de crescimento desses organismos pode ser útil na proteção dos recursos hídricos, bem como no desenvolvimento de tecnologias que aproveitem seu poder. Além disso, compreender a taxa na qual esses organismos são desativados pode ser útil no tratamento de água e esgoto. Nesta investigação, tentarei construir um espectrofotômetro de baixo custo para analisar as taxas de decomposição de organismos expostos à água sanitária em amostras de água de Park Creek em Horsham, Pensilvânia. Uma amostra da água do riacho coletada no local será fertilizada com uma mistura de nutrientes e deixada ao sol para promover o crescimento de algas. O espectrofotômetro caseiro permitirá que a luz em comprimentos de onda discretos passe por um frasco da amostra antes de ser detectada por um fotorresistor conectado a um circuito Arduino. Conforme a densidade dos organismos na amostra aumenta, a quantidade de luz absorvida pela amostra deve aumentar. Este exercício enfatizará conceitos em eletrônica, óptica, biologia, ecologia e matemática.

Eu desenvolvi a ideia para meu espectrofotômetro a partir do Instructable “Student Spectrophotometer” de Satchelfrost e do artigo “A Low-Cost Quantitative Absorption Spectrophotometer” de Daniel R. Albert, Michael A. Todt e H. Floyd Davis.

Etapa 1: Crie seu quadro de Light Path

A primeira etapa neste Instructable é criar um quadro de caminho de luz de seis blocos Jenga e fita. A moldura do caminho óptico será usada para posicionar e apoiar a fonte de luz, o dispositivo de ampliação e a grade de difração de CD. Crie duas tiras longas colando três blocos Jenga em uma linha, conforme mostrado na primeira imagem. Cole essas tiras juntas como mostrado na segunda foto.

Etapa 2: Crie uma base para o seu dispositivo de ampliação e anexe-a à moldura do Light Path

O dispositivo de ampliação será afixado na moldura do caminho da luz e concentrará a luz emitida pelo LED antes de difratar do CD. Prenda juntos dois blocos Jenga de forma que o meio de um bloco esteja em um ângulo reto com o final de outro bloco, como mostrado na primeira imagem. Prenda o dispositivo de ampliação a esta base usando fita adesiva, conforme mostrado na terceira imagem. Usei uma lupa pequena e barata que tenho há vários anos. Depois de prender o dispositivo de ampliação em sua base, prendi o dispositivo de ampliação na moldura do caminho óptico. Posicionei meu dispositivo de ampliação a 13,5 cm da borda da moldura do caminho óptico, mas pode ser necessário fixar o dispositivo em uma posição diferente, dependendo da distância focal da lente de aumento.

Etapa 3: Crie sua fonte de luz

Para limitar a quantidade de luz não concentrada que pode atingir a grade de difração do CD e o fotorresistor, usei fita isolante para fixar uma lâmpada LED branca dentro de uma tampa preta de caneta que tinha um pequeno orifício na parte superior. A primeira imagem mostra o LED, a segunda imagem mostra a tampa da caneta LED com fita. Usei pequenos pedaços de fita isolante para evitar que a luz brilhasse na parte de trás do LED, onde estão os fios do ânodo e do cátodo.

Depois de criar a capa da caneta LED, conectei o LED a um resistor de 220 ohms e fonte de alimentação. Liguei o LED a um microcontrolador Arduino Uno de 5 V e conexões de aterramento, mas qualquer fonte de alimentação DC externa poderia ser usada. O resistor é importante para evitar que a luz LED se queime.

Etapa 4: prenda a fonte de luz ao quadro do caminho da luz

Prenda outro bloco Jenga próximo ao final da estrutura do caminho de luz para fornecer uma plataforma para a fonte de luz. Na minha configuração, o bloco Jenga que sustenta a fonte de luz foi posicionado a aproximadamente 4 cm da borda da moldura do caminho de luz. Como mostrado na segunda imagem, o posicionamento correto da fonte de luz é tal que o feixe de luz se concentre através do dispositivo de ampliação na extremidade oposta do quadro do caminho de luz onde a grade de difração de CD estará.

Etapa 5: coloque a estrutura do caminho de luz, o dispositivo de ampliação e a fonte de luz na caixa do arquivo

Use uma caixa de arquivo ou outro recipiente selável com lados opacos como um invólucro para conter cada um dos componentes do espectrofotômetro. Conforme mostrado na figura, usei fita adesiva para proteger a moldura do caminho óptico, o dispositivo de ampliação e a fonte de luz na caixa do arquivo. Usei um bloco Jenga para espaçar a moldura do caminho de luz a aproximadamente 2,5 cm da borda da parede interna da caixa de arquivo (o bloco Jenga foi usado apenas para espaçamento e foi removido posteriormente).

Passo 6: Corte e Posicione a Grade de Difração de CD

Use uma faca ou tesoura para cortar um CD em um quadrado com uma face reflexiva e lados de aproximadamente 2,5 cm de comprimento. Use fita adesiva para prender o CD ao bloco Jenga. Brinque com o posicionamento do bloco Jenga e da grade de difração de CD para posicioná-lo de forma que projete um arco-íris na parede oposta da caixa do arquivo quando a luz da fonte de LED o atingir. As imagens anexas mostram como posicionei esses componentes. É importante que o arco-íris projetado esteja relativamente nivelado, conforme mostrado na última imagem. Uma régua e um esboço a lápis no interior da parede da caixa de arquivo podem ajudar a determinar quando a projeção está nivelada.

Etapa 7: Crie o porta-amostras

Imprima o documento anexo e prenda ou cole o papel em um pedaço de papelão. Use uma tesoura ou uma faca para cortar o papelão em forma de cruz. Faça pontos no papelão ao longo das linhas impressas no centro da cruz. Além disso, corte pequenas fendas em alturas iguais no meio de dois braços da cruz de papelão, conforme mostrado; essas fendas permitirão que comprimentos de onda discretos de luz passem pela amostra até o fotorresistor. Usei fita adesiva para ajudar a tornar o papelão mais resistente. Dobre o papelão ao longo das ranhuras e prenda-o com fita adesiva de modo que um porta-amostras retangular seja formado. O porta-amostras deve se encaixar firmemente em torno de um tubo de ensaio de vidro.

Etapa 8: Crie e anexe uma base para o porta-amostras

Una três blocos Jenga com fita e prenda o conjunto ao suporte de amostra, conforme mostrado. Certifique-se de que o acessório é forte o suficiente para que o porta-amostras de papelão não se separe da base do bloco Jenga quando o tubo de ensaio for puxado para fora do porta-amostras.

Etapa 9: adicione o fotorresistor ao porta-amostras

Os fotorresistores são fotocondutores e diminuem a quantidade de resistência que fornecem conforme aumenta a intensidade da luz. Colei o fotorresistor em uma pequena caixa de madeira, mas a caixa não é necessária. Prenda o fotorresistor posterior de forma que sua face sensora fique posicionada diretamente contra a fenda que você cortou no suporte de amostra. Tente posicionar o fotorresistor de forma que o máximo possível de luz o atinja após passar pela amostra e pelas fendas do porta-amostra.

Etapa 10: Conecte o fotorresistor

Para conectar o fotorresistor no circuito do Arduino, primeiro cortei e descasquei os fios de um velho cabo de impressora USB. Amarrei três blocos juntos como mostrado e, em seguida, conectei os fios desencapados a esta base. Usando duas emendas de topo, conectei os fios do cabo da impressora USB aos terminais do fotorresistor e uni as bases para formar uma unidade (como mostrado na quarta imagem). Quaisquer fios longos podem ser usados no lugar dos fios do cabo da impressora.

Conecte um fio proveniente do fotorresistor à saída de energia de 5 V do Arduino. Conecte o outro fio do fotorresistor a um fio que leva a uma das portas analógicas do Arduino. Em seguida, adicione um resistor de 10 kilo-ohm em paralelo e conecte o resistor à conexão de aterramento do Arduino. A última figura mostra conceitualmente como essas conexões podem ser feitas (crédito para circuit.io).

Etapa 11: conectar todos os componentes ao Arduino

Conecte seu computador ao Arduino e carregue o código anexado a ele. Depois de fazer o download do código, você pode ajustá-lo para atender às suas necessidades e preferências. Atualmente, o Arduino faz 125 medições cada vez que é executado (ele também calcula a média dessas medições no final) e seu sinal analógico leva a A2. Na parte superior do código, você pode alterar o nome e a data da amostra. Para visualizar os resultados, pressione o botão do monitor serial no canto superior direito da interface da área de trabalho do Arduino.

Embora seja um pouco confuso, você pode ver como acabei conectando cada componente do circuito do Arduino. Usei duas placas de ensaio, mas você faria facilmente com apenas uma. Além disso, minha fonte de luz LED está conectada ao Arduino, mas você pode usar uma fonte de alimentação diferente para ela, se preferir.

Etapa 12: coloque o suporte para amostras na caixa do arquivo

A etapa final na criação de seu espectrofotômetro caseiro é colocar o porta-amostra na caixa do arquivo. Cortei uma pequena fenda na caixa do arquivo para passar os fios do fotorresistor. Tratei esta última etapa como mais uma arte do que uma ciência, já que a colocação anterior de cada componente do sistema afetará o posicionamento do porta-amostras no invólucro da caixa de arquivo. Posicione o porta-amostras de forma que você possa alinhar a fenda do porta-amostras com uma cor de luz individual. Por exemplo, você pode posicionar o Arduino de forma que a luz laranja e a luz verde sejam projetadas em ambos os lados da fenda, enquanto apenas a luz amarela passa pela fenda para o fotorresistor. Depois de encontrar um local onde apenas uma cor de luz passa pela fenda no suporte de amostra, mova o suporte de amostra lateralmente para identificar os locais correspondentes para cada cor (lembre-se, ROYGBV). Use um lápis para desenhar linhas retas ao longo da parte inferior da caixa do arquivo para marcar os locais onde apenas uma cor de luz é capaz de alcançar o fotorresistor. Amarrei dois blocos Jenga na frente e atrás do porta-amostras para ajudar a garantir que não me desviasse dessas marcações ao fazer as leituras.

Etapa 13: Teste seu espectrofotômetro caseiro - crie um espectro

Fiz vários testes com meu espectrofotômetro caseiro. Como engenheiro ambiental, estou interessado na qualidade da água e tirei amostras de um pequeno riacho perto de minha casa. Ao coletar amostras, é importante que você esteja usando um recipiente limpo e que fique atrás do recipiente durante a amostragem. Ficar atrás da amostra (ou seja, a jusante do ponto de coleta) ajuda a evitar a contaminação de sua amostra e reduz o grau de sua atividade no fluxo afeta a amostra. Em uma amostra (Amostra A), adicionei uma pequena quantidade de Miracle-Gro (a quantidade apropriada para plantas de interior, dado o meu volume de amostra), e na outra amostra não adicionei nada (Amostra B). Deixei essas amostras em uma sala bem iluminada sem suas tampas para permitir a fotossíntese (mantendo as tampas abertas para permitir a troca gasosa). Como você pode ver, nas fotos, a amostra que foi suplementada com Miracle-Gro ficou saturada com algas platônicas verdes, enquanto a amostra sem Miracle-Gro não experimentou nenhum crescimento significativo após cerca de 15 dias. Depois de saturado com algas, diluí um pouco da Amostra A em tubos cônicos de 50 mL e os deixei na mesma sala bem iluminada sem suas tampas. Aproximadamente 5 dias depois, já havia diferenças perceptíveis em sua cor, indicando o crescimento de algas. Observe que uma das quatro diluições infelizmente foi perdida no processo.

Existem vários tipos de espécies de algas que crescem em águas doces poluídas. Tirei fotos das algas usando um microscópio e acredito que sejam clorococcum ou clorela. Pelo menos uma outra espécie de algas parece estar presente. Por favor, deixe-me saber se você consegue identificar essas espécies!

Depois de cultivar a alga na Amostra A, peguei uma pequena amostra dela e coloquei no tubo de ensaio do espectrofotômetro caseiro. Eu gravei as saídas do Arduino para cada cor de luz e associei cada saída com o comprimento de onda médio de cada faixa de cor. Isso é:

Luz Vermelha = 685 nm

Luz Laranja = 605 nm

Luz Amarela = 580 nm

Luz Verde = 532,5 nm

Luz Azul = 472,5 nm

Luz Violeta = 415 nm

Também gravei as saídas do Arduino para cada cor de luz quando uma amostra da água do Deer Park foi colocada no suporte de amostra.

Usando a Lei de Beer, calculei o valor de absorbância para cada medição tomando o logaritmo de base 10 do quociente de absorbância de água Deep Park dividido pela absorbância da Amostra A. Mudei os valores de absorbância para que a absorbância do valor mais baixo fosse zero e plotei os resultados. Você pode comparar esses resultados com o espectro de absorvância de pigmentos comuns (Sahoo, D., & Seckbach, J. (2015). The Algae World. Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology.) Para tentar adivinhar os tipos de pigmentos. contido na amostra de algas.

Etapa 14: Teste seu espectrofotômetro caseiro - experimento de desinfecção

Com seu espectrofotômetro caseiro, você pode realizar uma variedade de atividades diferentes. Aqui, conduzi um experimento para ver como as algas se deterioram quando expostas a diferentes concentrações de água sanitária. Usei um produto com uma concentração de hipoclorito de sódio (ou seja, alvejante) de 2,40%. Comecei adicionando 50 mL da Amostra A a tubos cônicos de 50 mL. Em seguida, adicionei diferentes quantidades da solução de alvejante às amostras e fiz as medições usando o espectrofotômetro. Adicionar 4 mL e 2 mL da solução de lixívia às amostras fez com que as amostras ficassem claras quase imediatamente, indicando desinfecção e desativação quase imediatas das algas. Adicionar apenas 1 mL e 0,5 mL (aproximadamente 15 gotas de uma pipeta) da solução de lixívia às amostras, permitiu tempo suficiente para fazer as medições usando o espectrofotômetro caseiro e decaimento do modelo em função do tempo. Antes de fazer isso, usei o procedimento da última etapa para construir um espectro para a solução de alvejante e determinei que o comprimento de onda da solução na luz vermelha era baixo o suficiente para que houvesse pouca interferência com a desativação aproximada de algas usando absorbância nos comprimentos de onda do vermelho luz. Na luz vermelha, a leitura de fundo do Arduino era 535 [-]. Fazer várias medições e aplicar a Lei de Beer me permitiu construir as duas curvas mostradas. Observe que os valores de absorbância foram deslocados para que o menor valor absorvido seja 0.

Se um hemocitômetro estiver disponível, experimentos futuros podem ser usados para desenvolver uma regressão linear que relaciona a absorbância com a concentração de células na Amostra A. Essa relação poderia então ser usada na equação de Watson-Crick para determinar o valor CT para desativação de algas usando lixívia.

Etapa 15: principais vantagens

Por meio deste projeto, desenvolvi meu conhecimento dos princípios fundamentais para a biologia e ecologia ambiental. Este experimento me permitiu desenvolver ainda mais minha compreensão da cinética de crescimento e decadência de fotoautótrofos em ambientes aquáticos. Além disso, pratiquei técnicas de amostragem e análise ambiental enquanto aprendia mais sobre os mecanismos que permitem que ferramentas como espectrofotômetros funcionem. Ao analisar amostras ao microscópio, aprendi mais sobre os microambientes dos organismos e me familiarizei com as estruturas físicas de espécies individuais.