Wykonanie optycznej suszarki do komórek do analizy spektroskopowej

Podsumowanie

Przedstawiono protokół wytwarzania urządzenia do jednoczesnego suszenia wielu komórek optycznych.

Streszczenie

Komórki optyczne, które są instrumentami eksperymentalnymi, to małe, kwadratowe rurki uszczelnione z jednej strony. Próbkę umieszcza się w tej probówce, a pomiar wykonuje się za pomocą spektroskopu. Materiały używane do ogniw optycznych zazwyczaj obejmują szkło kwarcowe lub plastik, ale drogie szkło kwarcowe jest ponownie wykorzystywane poprzez usuwanie substancji innych niż ciecze, które mają być analizowane, a które przylegają do wnętrza pojemnika. W takim przypadku ogniwa optyczne są myte wodą lub etanolem i suszone. Następnie dodaje się i mierzy następną próbkę. Komórki optyczne suszy się naturalnie lub za pomocą ręcznej suszarki do włosów. Jednak suszenie wymaga czasu, co sprawia, że jest to jeden z czynników wydłużających czas eksperymentu. Celem tego badania jest drastyczne skrócenie czasu suszenia za pomocą dedykowanej automatycznej suszarki, która może suszyć wiele komórek optycznych jednocześnie. Aby to zrealizować, zaprojektowano obwód dla mikrokomputera, a sprzęt korzystający z niego został niezależnie zaprojektowany i wyprodukowany.

Wprowadzenie

Komórki optyczne są używane jako instrumenty laboratoryjne w szerokim zakresie dziedzin. W badaniach z zakresu nauk przyrodniczych biomolekuły, takie jak kwasy nukleinowe i białka, są często wykorzystywane do eksperymentów, a metody spektroskopowe są szeroko stosowane w metodach ilościowych. Dokładne określenie ilościowe próbki eksperymentu jest niezbędne do uzyskania dokładniejszych i bardziej powtarzalnych wyników. Widmo absorpcyjne uzyskane za pomocą spektrofotometru było często wykorzystywane do ilościowego oznaczania biomolekuł, takich jak kwasy nukleinowe i białka^1,2,3^,4. Przeprowadzono również badania nad charakterystykami oksydacyjno-redukcyjnymi spowodowanymi zmianą widma absorpcyjnego i fotoluminescencji nanorurki węglowej (CNT) zdyspergowanej za pomocą DNA^5,6,7^,8,9,10. Do tych pomiarów używa się komórek optycznych, ale nie można wykonać dokładnych pomiarów, jeśli nie zostaną one dokładnie umyte i wysuszone.

Podczas pomiaru widm absorpcyjnych lub fotoluminescencji, nie jest możliwe dokładne zmierzenie w zabrudzonych komórkach optycznych^{11,12,13,14,15}. Ekonomiczne jednorazowe ogniwa optyczne wykonane z polistyrenu i polimetakrylanu metylu służą również do eliminacji mycia i zanieczyszczeń. Jednak gdy wymagane są precyzyjne pomiary, często stosuje się szkła kwarcowe, ponieważ mają one niezwykle doskonałe właściwości optyczne, takie jak przepuszczalność światła. W takim przypadku ogniwa optyczne są myte po pomiarze próbki i wielokrotnie używane. Zwykle po umyciu ogniw optycznych wodą lub etanolem są one suszone w sposób naturalny. Gdy wymagane jest szybkie suszenie, suszy się je pojedynczo za pomocą suszarek do włosów lub podobnego sprzętu. Czyszczenie komórek optycznych jest jedną z najbardziej nieprzyjemnych i czasochłonnych procedur w eksperymencie. Wraz ze wzrostem liczby próbek wydłuża się czas schnięcia, co z kolei wydłuża czas potrzebny na przeprowadzenie eksperymentu i badań. W poprzednich badaniach nie było doniesień na temat urządzeń peryferyjnych komórek optycznych. Badanie to ma na celu skrócenie czasu badań poprzez jednoczesne suszenie wielu ogniw optycznych.

Sprawdziliśmy, czy istnieją inne podobne produkty. Istnieje już osuszacz skrzynkowy o stałej temperaturze z funkcją kontroli temperatury i funkcją timera; Nie można jednak znaleźć żadnych komercyjnych produktów o tej samej konfiguracji.

Opisano zarys produkcji tego urządzenia. Po pierwsze, obudowa typu pudełkowego wykonana jest przy użyciu płyty akrylowej. Do góry przymocowana jest nylonowa siatka. Umieszcza się na nim plastikową siatkę do zamocowania komórki optycznej. Obwód sterujący jest przechowywany wewnątrz obudowy, a plastikowa płytka jest przymocowana w celu ochrony obwodu przed kropelkami wody. Obwód sterujący składa się z procesora i jest sterowany przez oprogramowanie. Dmuchawy są przymocowane z tyłu obudowy, a wiatr dostarczany przez dmuchawy dostaje się do komórek optycznych ustawionych do góry nogami. Dmuchawy są uruchamiane za pomocą przełącznika z przodu i są automatycznie zatrzymywane przez timer. W zależności od liczby ogniw optycznych do wysuszenia, można wybrać dwie lub cztery dmuchawy do pracy. Kropelki wody kapiące z ogniw optycznych parują wraz z wiatrem z dmuchaw. Komórki kwarcowe myje się wodą lub etanolem, a czas schnięcia porównuje się z czasem suszenia naturalnego.

Protokół

1. Projekt

1. Szczegóły rysunku technicznego znajdują się na Rysunku 1.
2. Wyciąć płytę akrylową o grubości 3 mm o wymiarach 210 mm szerokości x 60 mm wysokości x 104 mm głębokości, skleić klejem akrylowym i złożyć obudowę.
3. Zainstalować do 30 ogniw optycznych o wymiarach 12,5 x 12,5 mm.
4. Na przedniej ściance obudowy zamontować przełączniki i lampki startu i stopu oraz pokrętło regulacji czasu suszenia.
5. Widok zewnętrzny i konfiguracja komponentów przedstawione są na Rysunku 2.
6. Do wykonania obudowy i siatki należy użyć odpowiednio akrylu i nylonu. Przymocować siatkę do ramy, a następnie zamontować ją w górnej części obudowy.
7. Do wykonania kraty pod ogniwa optyczne użyć akrylu. Przymocować ją do górnej części siatki.
8. Zamontować dmuchawy z tyłu obudowy.
9. Do wykonania przegrody zapobiegającej skraplaniu wody użyć akrylu półprzezroczystego.

2. Zarys konstrukcji sprzętowej

1. Zobacz Rysunek 3 w celu uzyskania szczegółowych informacji na temat schematu obwodu.
2. Obniż napięcie z 12 V do 5 V za pomocą stabilizatora trójterminalowego w celu zasilania mikrokomputera.
3. Uruchom dmuchawy poprzez tranzystor NPN (25 V, 500 mA).
   Uwaga: Ponieważ pin wyjściowy mikrokomputera ma napięcie 5 V.
4. Kontroluj prędkość obrotową dmuchaw za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM) na pinie wyjściowym.
   Uwaga: nadmuchiwarka jest napędzana, liczba obrotów jest kontrolowana, a moc ulega okresowym zmianom.
5. Podłącz przełącznik startowy do pinu wejścia cyfrowego.
6. Podłącz potencjometr ustawiania czasu pracy dmuchaw do pinu wejścia analogowego, aby zmieniać napięcie w zależności od pozycji obrotowej.
7. Podłącz organiczną diodę emitującą światło (OLED) służącą do wyświetlania czasu pracy do dwóch cyfrowych pinów wyjściowych za pomocą magistrali I2C (inter-integrated circuit).
8. Podłącz diodę LED, która świeci podczas pracy, do pinu wyjścia cyfrowego.

3. Zarys projektu oprogramowania

1. Wykorzystaj mikrokomputer do sterowania dmuchawami.
   Uwaga: Środowisko programistyczne zostało zbudowane w oparciu o Arduino, które jest jednym ze środowisk programistycznych określanych jako sprzęt open-source; wszystkie obwody i oprogramowanie są ogólnodostępne.
2. Zarys działania
   1. Naciśnij przełącznik startu.
   2. Odczytaj stan przycisku określonego przez przycisk wyboru na panelu przednim i aktywuj dmuchawę zgodnie z tym stanem.
   3. Odczytaj czas suszenia ustawiony za pomocą potencjometru na panelu przednim jako sygnał napięciowy i rozpocznij odliczanie czasomierza.
   4. Włącz diody LED i wyświetl pozostały czas na ekranie OLED.
3. Szczegółowe wyjaśnienie
   1. Odczytaj pozycję potencjometru podłączonego do analogowego pinu wejściowego jako napięcie; następnie zostanie ono przeliczone na czas pracy dmuchawy i wyświetlone na ekranie OLED.
   2. Wykryj przełącznik ON/OFF podłączony do pinów J1-9, 10 schematu obwodu podczas naciskania przełącznika startu, aktywuj pin sterujący dmuchawami, uruchom dmuchawy i włącz diodę LED podczas pracy.
   3. Steruj dmuchawami za pomocą PWM. Wykryj pozycję potencjometru 10-kΩ podłączonego do schematu obwodu J1-5, 6, 7 i steruj dmuchawami za pomocą odpowiedniego wyjścia.
   4. Wykryj pozycję potencjometru 10-kΩ podłączonego do pinów J1-1, 2, 3 schematu obwodu poprzez ustawienie czasu suszenia i aktywuj dmuchawy na czas odpowiadający temu ustawieniu.
   5. Podłącz diodę LED zasilania do pinów J1-15, 16 schematu obwodu. Podłącz diodę LED startu do pinów J1-12, 13 schematu obwodu.
      Uwaga: Dioda LED zasilania zapala się po włączeniu zasilania, a dioda LED startu świeci podczas aktywacji dmuchaw.
   6. Podłącz wyświetlacz OLED do pinów PB4, PB5 procesora za pomocą interfejsu I2C.
      Uwaga: Czas pracy wyświetlany na ekranie OLED jest odliczany co sekundę. Gdy czas pracy osiągnie 0, pin sterujący dmuchawami zostaje ustawiony na 0, dmuchawy zostają zatrzymane, a dioda LED pracy zostaje wyłączona, aby przejść do początkowego stanu czuwania.
   7. Użyj biblioteki Adafruit SSD1306 dla wyświetlacza OLED w Arduino.
      Uwaga: Po włączeniu przełącznika zasilania operacje przebiegają w kolejności: inicjalizacja i wyświetlanie komunikatu. Fragment kodu źródłowego poniżej służy jako przykład użycia tej biblioteki.
      #include "Wire.h";
      #include <Adafruit_SSD1306.h>
      #define OLED_RESET -1
      Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);
      
      
      void setup() {
      Serial.begin(115200);
      while (!Serial) {
      ; // oczekiwanie na połączenie portu szeregowego. Wymagane tylko dla Leonardo
      }
      Wire.begin(SDA, SCL); // (SDA, SCL)
      delay(1000);
      display.clearDisplay(); // Wyczyść bufor.
      display.setTextSize(1);
      display.clearDisplay();
      display.print(F("SD ")); // Wyświetlenie komunikatu wybudzania (Wersja)
      display.println(ver);
      display.display();
      
      
      }

4. Zasada działania

1. Szczegóły widoku zewnętrznego znajdują się na Rysunku 2.
2. Włącz główny przełącznik zasilania nr 10. Zapali się lampka kontrolna nr 11.
3. Umieść kuwety optyczne na siatce nr 2 w części kratowej plastikowej obudowy nr 1.
   Uwaga: Liczba kuwet optycznych, które można zamontować, odpowiada liczbie kratek.
4. Wybierz pracę dwóch dmuchaw lub czterech dmuchaw. W zależności od sytuacji sterowania zapalą się lampki kontrolne nr 5 i nr 6.
   Uwaga: Element nr 3 jest przełącznikiem obsługującym dmuchawy po prawej stronie, a element nr 4 jest przełącznikiem obsługującym dmuchawy po lewej stronie.
5. Ustaw czas pracy za pomocą czasomierza nr 9.
6. Włącz element nr 7.
   Uwaga: Uruchamia się wentylator nr 12, a jednocześnie zapala się lampka kontrolna nr 8.

5. Metoda pomiaru czasu schnięcia

1. W przypadku suszenia naturalnego
   1. Dokładnie przemyć ogniwa optyczne wodą lub etanolem. Użyć grubego papieru chłonnego do usunięcia wilgoci z ogniw optycznych, następnie przenieść ogniwa w inne miejsce na papierze chłonnym i poczekać do ich wyschnięcia.
2. W przypadku suszarki do ogniw optycznych
   1. Dokładnie przemyć ogniwa optyczne wodą lub etanolem.
      Uwaga: Użyć grubego papieru chłonnego do tymczasowego usunięcia wilgoci.
   2. Umieścić ogniwa optyczne w suszarce do ogniw optycznych, a następnie poczekać do ich wyschnięcia.
   3. Zmierzyć czas suszenia 3x dla każdego ogniwa.
3. Porównanie wartości średnich
   1. Zmierzyć czasy suszenia 3x w 30 miejscach w celu uzyskania rozkładu.
      Uwaga: Ma to na celu wykrycie różnic w czasie w zależności od położenia ogniw w suszarce do ogniw optycznych.
   2. Użyć wartości średnich ze wszystkich 30 miejsc do porównania z wodą.
      Uwaga: W przypadku mycia wodą, wyznaczyć pozycje ogniw optycznych losowo, a następnie zmierzyć czas suszenia w 10 punktach.

Wyniki

Jak pokazano w Tabeli 1, w przypadku przemywania etanolem średni czas suszenia w procesie naturalnym wynosił 426,4 s, natomiast średni czas suszenia w suszarce optycznej wynosił 106 s. W przypadku przemywania wodą średni czas suszenia w procesie naturalnym wynosił 1481,4 s, a średni czas suszenia w suszarce optycznej wynosił 371,6 s. W obu przypadkach czas suszenia został zredukowany do około jednej czwartej. Rozkład czasu suszenia w suszarce optycznej przedstawiono na

Dyskusja

Ogniwa optyczne mogą być suszone jednocześnie z dmuchawami, a czas suszenia może być znacznie skrócony. Nawet jeśli operacja zatrzymania nie zostanie wykonana, można ją bezpiecznie zatrzymać za pomocą funkcji automatycznego zatrzymania timera. Z wyników pomiarów rozkładu czasu schnięcia wynika, że nie stwierdzono istotnej różnicy w czasie suszenia ze względu na różnicę w pozycji montażowej ogniw optycznych.

Krytycznym etapem protokołu jest projekt obudowy. Wyzwanie polega na tym, jak sprawić, ...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
dmuchawa	ebm-papst	422JN	Mulfingen, Niemcy
Mikrokomputer	Atmel Corporation	ATmega 328 P	CA, USA
Przycisk wyboru dmuchawy	Sengoku Densyo Co., Ltd.	MS-358 (czerwony)	Tokio, Japonia
Lampa operacyjna dmuchawy	Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd.	DB-15-T-OR	Tokio, Japonia
Przycisk uruchamiania dmuchawy	Sengoku Densyo Co., Ltd.	MS-350M (biały)	Tokio, Japonia
Timer	Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd.	SH16K4A105L20KC	Tokio, Japonia
Wyłącznik zasilania	Marutsuelec Co., Ltd.	3010-P3C1T1G2C01B02BKBK-EI	Tokio, Japonia
Lampa zasilająca	Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd.	Moduł OLED DB-15-TG	Tokio, Japonia
	Akihabara Co., Ltd.	M096P4W	Tokio, Japonia