Χαρτογραφική χρωματογραφία/Πείραμα UV-Vis με Arduino: 10 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Αυτό το πείραμα χρησιμοποιεί έναν μικροεπεξεργαστή Arduino, μαζί με είδη οικιακής χρήσης, για να πραγματοποιήσει ένα πείραμα χρωματογραφίας σε χαρτί και να αναλύσει τα αποτελέσματα χρησιμοποιώντας μια τεχνική παρόμοια με τη φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατής (UV-Vis). Αυτό το πείραμα προορίζεται να αναπαράγει διάφορες πτυχές ενός οργάνου HPLC (Υψηλής Απόδοσης Υγρή Χρωματογραφία), όπως ο χρωματογραφικός διαχωρισμός και η ανίχνευση UV-Vis. Θα μάθετε πολλές επιστημονικές τεχνικές με αυτό το πείραμα, καθώς και να μάθετε για τον μικροεπεξεργαστή Arduino.

Βήμα 1: Επίδειξη βίντεο

Βήμα 2: Σκοπός

Ο σκοπός αυτού του πειράματος είναι να αναπαράγει μερικές από τις λειτουργίες ενός οργάνου HPLC. Η HPLC διαχωρίζει τις ενώσεις μέσω υγρής χρωματογραφίας και χρησιμοποιεί UV-Vis ως ανιχνευτή. Σε αυτό το πείραμα, αυτές οι δύο λειτουργίες θα εκτελεστούν ξεχωριστά. Η χρωματογραφία χαρτιού θα αντιπροσωπεύει τη υγρή χρωματογραφία εντός HPLC και θα χρησιμοποιηθεί για τον διαχωρισμό μιγμάτων χρωστικών τροφίμων. Οι διαχωρισμένες βαφές στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία δειγμάτων που θα αναλυθούν χρησιμοποιώντας τεχνική παρόμοια με τη φασματοσκοπία UV-Vis. Θα δημιουργηθεί μια απλοποιημένη έκδοση ενός οργάνου UV-Vis και θα αντιπροσωπεύει τον ανιχνευτή της HPLC. Με αυτό το πείραμα, θα μάθετε για τη χρωματογραφία, τη φασματοσκοπία UV-Vis, τις λειτουργίες οργάνων HPLC και τον μικροεπεξεργαστή Arduino Uno.

Βήμα 3: Συγκεντρώστε αυτά τα αναλώσιμα

Προμήθειες χρωματικής χρωματογραφίας:

• Χαρτοπετσέτες (1-2 1-2 $ ανά ρολό)
• Οδοντογλυφίδες (~ 3 $ ανά κουτί)
• Χρώματα τροφίμων (~ 4 $ ανά κουτί)
• Ισοπροπυλική αλκοόλη (~ 3 $ ανά μπουκάλι)
• Συρραπτικο
• Μολύβι
• Κυβερνήτης
• Φλιτζάνι
• Νερό
• Ψαλίδι
• Πλαστικό περιτύλιγμα

Προμήθειες Arduino:

• Arduino Uno ή παρόμοιος μικροεπεξεργαστής (~ 15 $)
• Φωτοαντίσταση
• Αντίσταση (10 K ohm)
• Σύρματα (αρσενικά-αρσενικά)
• Breadboard (~ 5 $)

Αναλώσιμα οργάνων:

• Φακός
• Κάποιος τύπος διαυγούς γυάλινου σωλήνα - γυάλινη σύριγγα που χρησιμοποιείται σε αυτό το παράδειγμα
• Κομμάτι φελιζόλ με τρύπα στη μέση
• Ρολά από χαρτί υγείας
• Κολλητική ταινία

Βήμα 4: Εκτελέστε χρωματογραφία χαρτιού και δημιουργήστε δείγματα

Χρωματική χρωματογραφία:

1. Κόψτε ένα ορθογώνιο περίπου 4x6 ιντσών από μια χαρτοπετσέτα.
2. Χρησιμοποιώντας ένα μολύβι και ένα χάρακα, σχεδιάστε μια ευθεία γραμμή παράλληλη προς τη μεγαλύτερη άκρη της χαρτοπετσέτας 1 ίντσα από το κάτω μέρος.
3. Χρησιμοποιώντας μολύβι, σχεδιάστε Xs κατά μήκος αυτής της γραμμής περίπου 1/2 έως 3/4 ίντσες μεταξύ τους.
4. Δημιουργήστε μίγματα χρωστικών τροφίμων (μπλε+κίτρινο, μπλε+κόκκινο, κόκκινο+κίτρινο).
5. Χρησιμοποιώντας μια οδοντογλυφίδα, τοποθετήστε τα μείγματα χρωμάτων τροφίμων και τα καθαρά χρώματα τροφίμων πάνω στο τραβηγμένο Χ. Κάθε χρώμα ή μείγμα θα είναι διάστικτο στο δικό του Χ. Αφήστε το να στεγνώσει.
6. Τυλίξτε την χαρτοπετσέτα σε έναν κύλινδρο, φέρνοντας τις μικρότερες πλευρές μαζί. Συνδέστε αυτόν τον κύλινδρο μαζί, αφήνοντας ένα μικρό κενό μεταξύ των δύο πλευρών της χαρτοπετσέτας.
7. Προσθέστε περίπου 1/4 ίντσα νερό σε ένα φλιτζάνι που ταιριάζει στον κύλινδρο που δημιουργήσατε.
8. Βάλτε τον κύλινδρο στο κύπελλο με τη διάστικτη πλευρά πιο κοντά στο νερό.
9. Θα δείτε το νερό να απορροφάται στην χαρτοπετσέτα και τα χρώματα των τροφίμων θα αρχίσουν να ταξιδεύουν επάνω στην χαρτοπετσέτα.
10. Όταν η γραμμή νερού στην χαρτοπετσέτα φτάσει περίπου τα 3/4 ίντσες από την κορυφή, αφαιρέστε την χαρτοπετσέτα από το κύπελλο. Αφαιρέστε τα συρραπτικά και αφήστε τα να στεγνώσουν σε άλλη χαρτοπετσέτα.

Δημιουργία δειγμάτων:

1. Μόλις στεγνώσει η χαρτοπετσέτα, κόψτε τις διαφορετικές χρωματιστές κηλίδες τόσο από τα μείγματα όσο και από τον καθαρό χρωματισμό τροφίμων.
2. Προσθέστε αυτά τα κομμένα σημεία στο ισοπροπυλικό (τρίψιμο) αλκοόλ.
3. Καλύψτε το με πλαστική μεμβράνη και αφήστε το να μουλιάσει μέχρι να αφαιρεθεί το μεγαλύτερο μέρος του χρώματος από την χαρτοπετσέτα.
4. Αυτά θα είναι τα δείγματα που θα αναλυθούν χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία UV-Vis.

Βήμα 5: Συναρμολογήστε τα Ηλεκτρονικά

Ακολουθώντας το διάγραμμα κυκλώματος και την εικόνα ρύθμισης της πλακέτας, συνδέστε την σανίδα ψωμιού στο Arduino.

Θα χρησιμοποιήσετε τα ακόλουθα στο Arduino:

• Έξοδος 5 V
• Εδαφος
• Έξοδος A0

Θα χρησιμοποιήσετε τα ακόλουθα μέρη:

• Ανδρικά-αρσενικά σύρματα
• Αντίσταση 10 K ohm
• Φωτοαντίσταση

Βήμα 6: Συναρμολογήστε το Όργανο

1. Δημιουργήστε ένα δείγμα θήκης

   • Χρησιμοποιήστε ένα κομμάτι φελιζόλ με μια τρύπα στο κέντρο αρκετά μεγάλο για να συγκρατήσει το δείγμα σας.
   • Βγάλτε τρύπες η μία απέναντι στην άλλη στις πλευρές του φελιζόλ αρκετά μεγάλη για να στεγάσει τη φωτοαντίσταση. Η άλλη οπή θα είναι η είσοδος φωτός.
   • Τοποθετήστε αυτό στον πίνακα με φωτοαντίσταση σε μία από τις οπές.

2. Δημιουργήστε έναν σωλήνα για να αποκλείσετε το φως του περιβάλλοντος

   • Χρησιμοποιήστε ρολό χαρτιού τουαλέτας και κολλητική ταινία που κλείνει το επάνω άκρο.
   • Αυτό θα καθίσει πάνω από τη θήκη δείγματος όταν λαμβάνετε μετρήσεις για να μειώσετε την ποσότητα του ανεπιθύμητου φωτός.

Βήμα 7: Προγραμματίστε το Όργανο

1. Χρησιμοποιήστε τον κωδικό που παρέχεται (UV_Vis_readings).
2. Επαληθεύστε τον κωδικό.
3. Ανεβάστε τον κώδικα στο Arduino.
4. Βεβαιωθείτε ότι η λειτουργία σειριακής οθόνης λειτουργεί εάν δείτε μεγαλύτερους αριθμούς όταν η φωτοαντίσταση εκτίθεται στο φως και μικρότεροι αριθμοί όταν η αντίσταση είναι στο σκοτάδι.

Βήμα 8: Δοκιμάστε το Όργανο

1. Βάλτε ισοπροπυλική αλκοόλη σε γυάλινο σωλήνα ή σύριγγα.
2. Βάλτε το σωλήνα στη θήκη δείγματος, βεβαιωθείτε ότι ευθυγραμμίζεται με τις οπές στο φελιζόλ.
3. Τοποθετήστε τον φακό με το φως να εισέρχεται σε μία από τις οπές.
4. Τοποθετήστε το ρολό χαρτιού υγείας από πάνω για να αποκλείσετε το επιπλέον φως.
5. Ενεργοποιήστε το SerialMonitor και καταγράψτε τη μέτρηση μόλις σταθεροποιηθεί.
6. Αυτή η τιμή είναι διαπερατότητα, αλλά πρέπει να μετατραπεί.
7. Πολλαπλασιάστε την τιμή κατά (5/1024) για να λάβετε την πραγματική μετάδοση (Τ).
8. Εκτελέστε τον ακόλουθο υπολογισμό για να λάβετε απορρόφηση: Απορρόφηση = log (1/T).
9. Αυτή είναι η τιμή του κενού.
10. Επαναλάβετε τα βήματα 1-8 για κάθε διαχωρισμένο δείγμα.
11. Αφαιρέστε την απορρόφηση του τυφλού από αυτές τις τιμές για να υπολογίσετε το φως φόντου.
12. Συγκρίνετε τις απορροφήσεις - Βλέπετε κάποιες τάσεις; Τα πιο έντονα σημεία ήταν υψηλότερα ή χαμηλότερα σε απορρόφηση;

Βήμα 9: Βελτιώσεις

Διαφορετικά υλικά:

• Τα φίλτρα καφέ θα ήταν μια καλή αντικατάσταση για χαρτοπετσέτες.
• Ένας λαμπτήρας LED θα μπορούσε να προγραμματιστεί στον κώδικα για χρήση ως φως πηγής, αντί για φακό.
• Οι δοκιμαστικοί σωλήνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στη θέση της γυάλινης σύριγγας.

Βελτίωση διαχωρισμού:

Διαφορετικοί διαλύτες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν κατά τη διάρκεια της χρωματογραφίας χαρτιού για να βελτιωθεί ο διαχωρισμός των χρωμάτων τροφίμων. Αυτό θα μπορούσε να δοκιμαστεί βλέποντας ποιοι διαλύτες έκαναν τον διαχωρισμό των χρωμάτων στα μίγματα χρωμάτων τροφίμων πιο προφανή. Θα μπορούσαν επίσης να ελεγχθούν διαφορετικές αναλογίες μιγμάτων διαλυτών

Περισσότερες εφαρμογές:

• Ένα παρόμοιο πείραμα μπορεί να πραγματοποιηθεί με διαχωρισμό χρωστικών από φυτά.
• Θα μπορούσαν να ελεγχθούν και άλλες χρωματιστές ουσίες.

Βήμα 10: Αναφορές

Η έμπνευση για αυτό το έργο προήλθε από τις ακόλουθες πηγές:

www.purdue.edu/science/science-express/lab…

www.scientificamerican.com/article/chromat…

Η έμπνευση για τη ρύθμιση και τον κωδικό της πλακέτας προήλθε από:

www.instructables.com/id/How-to-use-a-phot…

create.arduino.cc/projecthub/Ayeon0122/rea…