Paper Chromatography/UV-Vis Experiment with Arduino: 10 Steps

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

การทดลองนี้ใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ Arduino ร่วมกับของใช้ในครัวเรือนเพื่อทำการทดลองโครมาโตกราฟีแบบกระดาษและวิเคราะห์ผลลัพธ์โดยใช้เทคนิคที่คล้ายกับเครื่องสเปกโตรสโคปีแบบ Ultraviolet-Visible (UV-Vis) การทดลองนี้มีขึ้นเพื่อทำซ้ำหลายแง่มุมของเครื่องมือ HPLC (High Performance Liquid Chromatography) เช่น การแยกโครมาโตกราฟีและการตรวจจับ UV-Vis คุณจะได้เรียนรู้เทคนิคทางวิทยาศาสตร์มากมายจากการทดลองนี้ รวมถึงการเรียนรู้เกี่ยวกับไมโครโปรเซสเซอร์ Arduino

ขั้นตอนที่ 1: วิดีโอสาธิต

ขั้นตอนที่ 2: วัตถุประสงค์

จุดประสงค์ของการทดลองนี้คือการจำลองฟังก์ชันบางอย่างของเครื่องมือ HPLC HPLC แยกสารประกอบผ่านโครมาโตกราฟีของเหลวและใช้ UV-Vis เป็นเครื่องตรวจจับ ในการทดลองนี้ ฟังก์ชันทั้งสองนี้จะดำเนินการแยกกัน โครมาโตกราฟีแบบกระดาษจะแสดงโครมาโตกราฟีแบบของเหลวภายใน HPLC และจะใช้เพื่อแยกสารผสมของสีผสมอาหาร จากนั้นจะใช้สีย้อมที่แยกจากกันเพื่อสร้างตัวอย่างที่จะวิเคราะห์โดยใช้เทคนิคที่คล้ายกับสเปกโทรสโกปี UV-Vis เครื่องมือ UV-Vis รุ่นที่เรียบง่ายจะถูกสร้างขึ้น และสิ่งนี้จะเป็นตัวแทนของตัวตรวจจับของ HPLC ในการทดลองนี้ คุณจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับโครมาโตกราฟี, สเปกโตรสโคปี UV-Vis, ฟังก์ชันเครื่องมือ HPLC และไมโครโปรเซสเซอร์ Arduino Uno

ขั้นตอนที่ 3: รวบรวมอุปกรณ์เหล่านี้

กระดาษโครมาโตกราฟีวัสดุ:

• กระดาษเช็ดมือ (~$1-2 ต่อม้วน)
• ไม้จิ้มฟัน (~$3 ต่อกล่อง)
• สีผสมอาหาร (~$4 ต่อกล่อง)
• ไอโซโพรพิล (ถู) แอลกอฮอล์ (~ $ 3 ต่อขวด)
• เครื่องเย็บกระดาษ
• ดินสอ
• ไม้บรรทัด
• ถ้วย
• น้ำ
• กรรไกร
• ห่อพลาสติก

อุปกรณ์ Arduino:

• Arduino Uno หรือไมโครโปรเซสเซอร์ที่คล้ายกัน (~$15)
• โฟโตรีซีสเตอร์
• ตัวต้านทาน (10 K โอห์ม)
• สายไฟ (ชาย-ชาย)
• เขียงหั่นขนม (~ $ 5)

อุปกรณ์เครื่องมือ:

• ไฟฉาย
• หลอดแก้วใสบางชนิด - หลอดฉีดยาแก้วที่ใช้ในตัวอย่างนี้
• ชิ้นโฟมที่มีรูตรงกลาง
• ม้วนกระดาษชำระ
• เทปพันท่อ

ขั้นตอนที่ 4: ดำเนินการโครมาโตกราฟีแบบกระดาษและสร้างตัวอย่าง

โครมาโตกราฟีแบบกระดาษ:

1. ตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาด 4x6 นิ้วออกจากกระดาษทิชชู่
2. ใช้ดินสอและไม้บรรทัดวาดเส้นตรงขนานกับขอบด้านยาวของกระดาษชำระ 1 นิ้วจากด้านล่าง
3. ใช้ดินสอวาด Xs ตามเส้นนี้ห่างกันประมาณ 1/2 ถึง 3/4 นิ้ว
4. สร้างสีผสมอาหาร (น้ำเงิน+เหลือง, น้ำเงิน+แดง, แดง+เหลือง)
5. ใช้ไม้จิ้มฟันแต้มสีผสมอาหารและสีผสมอาหารลงบน Xs ที่วาด แต่ละสีหรือส่วนผสมจะถูกจุดบน X ของตัวเอง ปล่อยให้แห้ง
6. ม้วนกระดาษชำระเป็นทรงกระบอก นำด้านที่สั้นกว่าเข้าหากัน เย็บกระดาษทรงกระบอกนี้เข้าด้วยกัน โดยเว้นช่องว่างเล็ก ๆ ระหว่างกระดาษเช็ดมือทั้งสองข้าง
7. เติมน้ำประมาณ 1/4 นิ้วลงในถ้วยที่พอดีกับกระบอกสูบที่คุณสร้างขึ้น
8. ใส่กระบอกลงในถ้วยโดยให้ด้านที่มีจุดใกล้กับน้ำมากที่สุด
9. คุณจะเห็นว่าน้ำถูกดูดซึมเข้าสู่กระดาษชำระ และสีผสมอาหารจะเริ่มเคลื่อนตัวขึ้นบนกระดาษชำระ
10. เมื่อเส้นน้ำบนกระดาษชำระสูงจากด้านบนประมาณ 3/4 นิ้ว ให้นำกระดาษชำระออกจากถ้วย นำลวดเย็บกระดาษออกและปล่อยให้แห้งบนกระดาษทิชชู่อีกแผ่น

การสร้างตัวอย่าง:

1. เมื่อกระดาษทิชชู่แห้งแล้ว ให้ตัดจุดสีต่างๆ ออกจากทั้งของผสมและสีผสมอาหารบริสุทธิ์
2. เพิ่มจุดตัดเหล่านี้ลงในแอลกอฮอล์ไอโซโพรพิล (ถู)
3. คลุมด้วยพลาสติกแรปแล้วแช่ไว้จนกว่าสีส่วนใหญ่จะถูกลบออกจากกระดาษชำระ
4. นี่จะเป็นตัวอย่างที่จะวิเคราะห์โดยใช้เครื่องสเปกโตรสโคปี UV-Vis

ขั้นตอนที่ 5: ประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ตามแผนภาพวงจรและอิมเมจการตั้งค่าบอร์ด ต่อบอร์ดเบรดบอร์ดกับ Arduino

คุณจะใช้สิ่งต่อไปนี้บน Arduino:

• เอาต์พุต 5 V
• พื้น
• เอาต์พุต A0

คุณจะใช้ส่วนต่อไปนี้:

• สายชาย-ชาย
• ตัวต้านทาน 10 K โอห์ม
• โฟโตรีซีสเตอร์

ขั้นตอนที่ 6: ประกอบเครื่องมือ

1. สร้างผู้ถือตัวอย่าง

   • ใช้แผ่นโฟมที่มีรูตรงกลางขนาดใหญ่พอที่จะเก็บตัวอย่างของคุณ
   • เจาะช่องด้านข้างของโฟมให้ใหญ่พอที่จะใส่โฟโตรีซีสเตอร์ อีกช่องจะเป็นช่องรับแสง
   • ตั้งค่านี้บนกระดานด้วยโฟโตรีซีสเตอร์ในรูใดช่องหนึ่ง

2. สร้างหลอดเพื่อป้องกันแสงโดยรอบ

   • ใช้ม้วนกระดาษชำระและเทปพันท่อปิดปลายด้านบน
   • ซึ่งจะอยู่เหนือตัวยึดตัวอย่างเมื่อทำการวัดเพื่อลดปริมาณแสงที่ไม่ต้องการ

ขั้นตอนที่ 7: ตั้งโปรแกรมเครื่องมือ

1. ใช้รหัสที่ให้มา (UV_Vis_readings)
2. ตรวจสอบรหัส
3. อัปโหลดรหัสไปยัง Arduino
4. ตรวจสอบว่าฟังก์ชันการตรวจสอบอนุกรมทำงานโดยดูว่ามีจำนวนที่มากขึ้นหรือไม่เมื่อโฟโตรีซีสเตอร์สัมผัสกับแสงและตัวเลขที่น้อยกว่าเมื่อตัวต้านทานอยู่ในที่มืด

ขั้นตอนที่ 8: ทดสอบเครื่องมือ

1. ใส่ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ลงในหลอดแก้วหรือหลอดฉีดยา
2. ใส่หลอดลงในที่ใส่ตัวอย่าง โดยตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เข้าแถวกับรูในโฟม
3. วางไฟฉายโดยให้แสงส่องเข้าไปในรูใดช่องหนึ่ง
4. วางกระดาษชำระไว้ด้านบนเพื่อป้องกันแสงพิเศษ
5. เปิด SerialMonitor และบันทึกการวัดเมื่อเสถียร
6. ค่านี้เป็นค่าการถ่ายทอด แต่ต้องแปลงค่า
7. คูณค่าด้วย (5/1024) เพื่อรับการส่งผ่านจริง (T)
8. ทำการคำนวณต่อไปนี้เพื่อรับการดูดกลืนแสง: การดูดซับ = log (1/T)
9. นี่คือค่าของช่องว่าง
10. ทำซ้ำขั้นตอนที่ 1-8 สำหรับแต่ละตัวอย่างที่แยกจากกัน
11. ลบค่าการดูดกลืนแสงของช่องว่างออกจากค่าเหล่านี้เพื่อพิจารณาแสงพื้นหลัง
12. เปรียบเทียบการดูดซับ - คุณเห็นแนวโน้มใด ๆ หรือไม่? จุดที่เข้มข้นขึ้นมีการดูดซับสูงหรือต่ำหรือไม่?

ขั้นตอนที่ 9: การปรับปรุง

วัสดุต่างๆ:

• ตัวกรองกาแฟใช้แทนกระดาษทิชชู่ได้ดี
• สามารถตั้งโปรแกรมหลอดไฟ LED เป็นรหัสเพื่อใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงแทนไฟฉายได้
• สามารถใช้หลอดทดลองแทนหลอดฉีดยาแก้วได้

ปรับปรุงการแยก:

สามารถใช้ตัวทำละลายที่แตกต่างกันระหว่างโครมาโตกราฟีแบบกระดาษเพื่อปรับปรุงการแยกสีผสมอาหาร สิ่งนี้สามารถทดสอบได้โดยการดูว่าตัวทำละลายใดทำให้การแยกสีในส่วนผสมของสีผสมอาหารชัดเจนขึ้น สามารถทดสอบอัตราส่วนต่างๆ ของสารผสมตัวทำละลายได้

แอปพลิเคชันเพิ่มเติม:

• การทดลองที่คล้ายกันสามารถทำได้โดยการแยกเม็ดสีออกจากพืช
• สามารถทดสอบสารสีอื่นๆ ได้เช่นกัน

ขั้นตอนที่ 10: การอ้างอิง

แรงบันดาลใจสำหรับโครงการนี้มาจากแหล่งต่อไปนี้:

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

www.scientificamerican.com/article/chromat…

แรงบันดาลใจสำหรับการตั้งค่าบอร์ดและรหัสมาจาก:

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

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