Summary
Un protocollo per la realizzazione di un dispositivo per l'asciugatura contemporaneamente più celle ottiche è presentato.
Abstract
Cellule ottiche, che sono strumenti sperimentali, sono piccole, tubi quadri sigillato su un lato. Un campione viene posto in questo tubo, e una misura viene eseguita con uno spettroscopio. I materiali utilizzati per cellule ottiche generalmente includono quarzo vetro o plastica, ma costoso vetro di quarzo è riutilizzata rimuovendo sostanze, diversi dai liquidi, per essere analizzati che aderiscono all'interno del contenitore. In tal caso, le cellule ottiche sono lavate con acqua o etanolo e secchi. Quindi, il campione successivo viene aggiunto e misurato. Cellule ottiche vengono essiccate naturalmente o con un asciugacapelli manuale. Tuttavia, asciugatura richiede tempo, che lo rende uno dei fattori che aumentano il tempo di esperimento. In questo studio, l'obiettivo è di ridurre drasticamente il tempo di asciugatura con un essiccatore automatico dedicato che può asciugare ottiche più celle in una sola volta. Per realizzare questo, un circuito è stato progettato per un microcomputer, e l'hardware usarlo indipendentemente è stato progettato e fabbricato.
Introduction
Cellule ottiche sono utilizzate come strumenti di laboratorio in una vasta gamma di campi. Nella ricerca di scienze biologiche, biomolecole come proteine e acidi nucleici sono spesso utilizzati per esperimenti e metodi spettroscopici sono ampiamente usati per metodi quantitativi. Quantificare con precisione il campione dell'esperimento è indispensabile per ottenere risultati più accurati e riproducibili. Lo spettro di assorbimento ottenuto da uno spettrofotometro è stato spesso utilizzato per la quantificazione di biomolecole quali acidi nucleici e proteine1,2,3,4. Ricerca sulle caratteristiche di ossido-riduzione causata dal cambiamento nella spettro di assorbimento e fotoluminescenza di un nanotubo di carbonio (CNT) dislocato usando il DNA è stato anche condotto5,6,7, 8,9,10. Cellule ottiche sono utilizzate per queste misurazioni, ma non è possibile effettuare misurazioni accurate a meno che essi sono accuratamente lavati e asciugati.
Quando misurare spettri di assorbimento o fotoluminescenza, è Impossibile misurare precisamente in cellule ottiche sporco11,12,13,14,15. Cellule ottiche monouso economiche fatta di polistirolo e poli-metil-metacrilato utilizzate anche per eliminare il lavaggio e la contaminazione. Tuttavia, quando sono necessarie misurazioni precise, vetri di quarzo sono spesso utilizzati, perché hanno estremamente eccellenti proprietà ottiche come la trasmissione della luce. In questo caso, le cellule ottiche sono lavate dopo la misurazione del campione e usate ripetutamente. Di solito, dopo il lavaggio cellule ottiche con acqua o etanolo, sono asciugati naturalmente. Quando è richiesta la rapida asciugatura, sono secchi uno utilizzando asciugacapelli o apparecchiature simili. Pulizia cellule ottiche è una delle procedure più sgradevole e richiede molto tempo nell'esperimento. Aumenta il numero di campioni, gli aumenti di tempo essiccazione, che, a sua volta, aumenta il tempo necessario per condurre l'esperimento e la ricerca. In passato gli studi, ci sono stati rapporti su dispositivi periferici delle cellule ottiche. Questo studio mira a ridurre il tempo di ricerca di essiccazione ottiche più celle contemporaneamente.
Abbiamo studiato se esistono altri prodotti simili. Esiste già una temperatura costante di casella-tipo asciugacapelli con una funzione di controllo di temperatura e una funzione timer; Tuttavia, nessun prodotto commerciale con la stessa configurazione può essere trovato.
Una struttura di produzione di questo dispositivo è descritto. In primo luogo, la cassa di tipo box è realizzata con un piatto in acrilico. Reticolato di nylon è fissato alla parte superiore. Una griglia di plastica è posto su di essa per fissare la cella ottica. Il circuito di controllo è memorizzato all'interno del case, e la piastra di plastica è fissata per proteggere il circuito da gocce d'acqua. Il circuito di controllo è costituito da una CPU ed è controllato dal software. Soffiatori sono attaccate alla parte posteriore del caso, e il vento fornito dalla turbina entra nelle cellule ottiche impostate a testa in giù. I soffiatori sono attivati da un interruttore sulla parte anteriore, e automaticamente vengono fermati dal timer. A seconda del numero di cellule ottiche da essiccare, due o quattro ventilatori sono selezionabili per il funzionamento. Le goccioline di acqua che gocciola dalle cellule ottiche evaporano con il vento da soffianti. Le celle di quarzo vengono lavate con acqua o etanolo, e il tempo di asciugatura è paragonato a quello di essiccazione naturale.
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Protocol
1. design
- Vedere la Figura 1 per i dettagli dello sviluppo di disegno.
- Tagliare una tavola di acrilico spessa di 3 mm a 210 mm di larghezza x 60 mm di altezza x 104 mm di profondità, legame con adesivo acrilico e montare il caso.
- Installare oltre 30 celle ottiche 12.5 x 12.5 mm.
- Associare interruttori e lampade per l'avvio e arresto e una variabile chiamata per l'impostazione di tempo essiccazione sul lato anteriore del telaio.
- Vedere la Figura 2 per una vista esterna e la configurazione del componente.
- Utilizzare acrilico e nylon per l'involucro e la rete, rispettivamente. Difficoltà la rete al telaio e fissarlo alla parte superiore del caso.
- Utilizzare acrilico per il reticolo dell'installazione ottico-cellula. Collegarlo alla parte superiore della rete.
- Montare i soffiatori per il retro della cassa.
- Uso acrilico traslucido per una partizione di prevenzione waterdrop.
2. hardware Design muta
- Vedere la Figura 3 per i dettagli del diagramma di circuito.
- Dimettersi da 12 V a 5 V di un regolatore di tre terminali per il funzionamento del microcomputer.
- Attivare i soffiatori tramite un NPN transistor (25 V, 500 mA).
Nota: Poiché il pin di uscita del microcomputer è 5 V. - Controllo della velocità di rotazione delle soffianti tramite l'operazione di modulazione di impulso (PWM) larghezza di impulso del pin di uscita.
Nota: Il ventilatore è in marcia, il numero di giri è controllato e la forza viene periodicamente modificata. - Collegare l'interruttore di avviamento push al pin di ingresso digitale.
- Collegare volume di impostazione tempo funzionamento dei ventilatori al pin di ingresso analogico per modificare la tensione in base alla posizione di rotazione.
- Collegare l'organici diodi emettitori di luce (OLED) per la visualizzazione del tempo di operazione per i due pin di uscita digitale con un circuito Inter-integrato (I2C).
- Collegare il LED che si illumina durante l'operazione per il pin di uscita digitale.
3. software Design muta
- Utilizzare un microcomputer per controllare i soffiatori.
Nota: L'ambiente di sviluppo è stato costruito utilizzando Arduino, che è uno degli ambienti di sviluppo chiamati hardware open-source, e tutti i circuiti e software sono aperti al pubblico. -
Struttura dell'operazione
- Premere l'interruttore di avviamento.
- Leggere lo stato del pulsante specificato da pulsante Seleziona nella parte anteriore e attivare il ventilatore secondo tale stato.
- Leggere il tempo di asciugatura impostato il resistore variabile sul davanti come un segnale di tensione e iniziare il conto alla rovescia il timer.
- Disabilita le luci LED su e visualizzare il tempo rimanente sul OLED.
-
Spiegazione dettagliata
- Leggi la posizione di volume collegato al pin di ingresso analogico come una tensione; quindi, converte in tempo di funzionamento del soffiatore e visualizza sul OLED.
- Rilevare l'ON/OFF interruttore collegato a J1-9, 10 pin del diagramma di circuito quando si preme l'interruttore di avviamento, girare il perno di trasmissione dei soffiatori, attivare i soffiatori e accendere il LED durante il funzionamento.
- Controllare i soffiatori di PWM. Rilevare la posizione del resistore variabile 10-kΩ collegato al diagramma di circuito J1-5, 6, 7 e guidare i soffiatori con la corrispondente uscita.
- Rilevare la posizione del resistore variabile 10-kΩ collegato al circuito diagrammi J1-1, 2, 3 pin impostando l'asciugatura tempo e attivare i soffiatori per il tempo corrispondente a quello.
- Collegare il LED di alimentazione gli schemi J1-15, 16 pin. Collegare l'inizio LED gli schemi J1 - 12, 13.
Nota: Il LED di alimentazione si illumina quando la fotocamera si accende e il LED start si accende mentre i ventilatori vengono attivati. - Collegare l'OLED PB4, PB5 della CPU con un I2C.
Nota: Il tempo di funzionamento visualizzato sul OLED è contato giù ogni secondo. Quando il tempo di funzionamento raggiunge 0, perno dell'azionamento dei ventilatori è impostato su 0, i soffiatori vengono arrestati e il LED di funzionamento si spegne per effettuare la transizione verso lo stato di attesa iniziale. - Utilizzare la libreria di Adafruit SSD1306 per un display OLED di Arduino.
Nota: Quando l'interruttore è acceso, operare nell'ordine della visualizzazione di inizializzazione e messaggio. Una parte del codice sorgente è mostrata di seguito come esempio di utilizzo di questa libreria.
#include "Wire. h";
#include < Adafruit_SSD1306.h >
#define OLED_RESET -1
Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);
void setup () {
Serial.Begin(115200);
while (!. {Numero di serie)
; attesa per la porta seriale per la connessione. Necessario solo per Leonardo
}
Wire.Begin (SDA, SCL); (SDA, SCL)
Delay(1000);
display.clearDisplay(); Cancellare il buffer.
display.setTextSize(1);
display.clearDisplay();
display.Print (F ("SD")); Debole Up messaggio Display(Version)
display.println(ver);
display.display();
}
4. metodo di funzionamento
- Vedere la Figura 2 per i dettagli della vista esterna.
- Spegnere l'interruttore principale di numero 10 ON. Si accende la spia di funzionamento del numero 11.
- Posizionare le cellule ottiche sul maglia numero 2 dalla parte della grata della plastica numero 1.
Nota: Il numero di cellule ottiche che può essere montato è come molti come il numero delle grate. - Selezionare un'operazione di quattro-soffiatore o funzionamento due-soffiatore. A seconda della situazione di guida, si accende la spia di funzionamento del numero 5 e numero 6.
Nota: Numero 3 è un interruttore per i ventilatori sul lato destro di funzionamento e numero 4 è un interruttore per il funzionamento i ventilatori sul lato sinistro. - Impostare il tempo di funzionamento con il timer con il numero 9.
- Disabilita numero 7.
Nota: Il ventilatore con numero 12 inizia e, allo stesso tempo, si accende la spia di funzionamento del numero 8.
5. metodo per misurare il tempo di asciugatura
-
Nel caso di essiccazione naturale
- Lavare le cellule ottiche accuratamente con acqua o etanolo. Utilizzare spessa carta assorbente per assorbire l'umidità delle cellule ottiche, quindi spostare le celle in un altro posto della carta assorbente spessa e attendere fino a quando si asciugano.
-
Nel caso l'asciugatrice cellula ottica
- Lavare le cellule ottiche accuratamente con acqua o etanolo.
Nota: Utilizzare spessa carta assorbente per assorbire temporaneamente l'umidità. - Posizionare le cellule ottiche nell'asciugatrice ottico-cella, quindi attendere fino a quando sono asciutti.
- Misurare il tempo di asciugatura 3 x per ogni cella.
- Lavare le cellule ottiche accuratamente con acqua o etanolo.
-
Confronto dei valori medi
- Misurare l'essiccazione volte 3x a 30 posti per ottenere la distribuzione.
Nota: Si tratta di rilevare la differenza di orario secondo la posizione delle cellule nell'asciugatrice ottico-cellula. - Utilizzare valori medi di tutti i 30 posti per un confronto con l'acqua.
Nota: Nel caso di lavaggio con acqua, determinare le posizioni delle celle ottiche in modo casuale, quindi misurare il tempo di essiccazione a 10 punti.
- Misurare l'essiccazione volte 3x a 30 posti per ottenere la distribuzione.
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Representative Results
Come illustrato nella tabella 1, nel caso di lavaggio di etanolo, il tempo medio di asciugatura in essiccazione naturale era 426,4 s e il tempo medio di asciugatura in asciugatrice cellula ottica era 106 s. Nel caso di lavaggio dell'acqua, il tempo medio di asciugatura in essiccazione naturale era 1481.4 s e il tempo medio di asciugatura in asciugatrice cellula ottica era 371,6 s. In entrambi i casi, il tempo di asciugatura è stato ridotto a circa un quarto. La distribuzione del tempo asciugatura dell'essiccatore cellula ottica è illustrata nella Figura 4. Il tempo medio di asciugatura in 30 sedi era 106 s. Il numero nella fila superiore rappresenta la posizione della cella. Il numero nella fila inferiore rappresenta il valore medio del tempo di asciugatura.
Il volume di aria del ventilatore era 31 m3/h per una unità, e il totale delle quattro unità era 124 m3/h. La temperatura dell'aria era la temperatura della camera, e il controllo della temperatura non è stato eseguito.
Figura 1: disegno di sviluppo. Collegare la rete nella parte superiore del caso acrilico e montare una griglia in plastica per il fissaggio le cellule ottiche che sono attaccate in cima esso. La dimensione del caso è 210 mm di larghezza x 60 mm di altezza x 104 mm di profondità e 30 celle ottiche 12.5 x 12.5 mm possono essere montate contemporaneamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Vista esterna. Il materiale della carcassa è acrilico, che è facile da lavorare. Il materiale della rete è in nylon. È fissato al telaio e attaccata alla parte superiore del caso. Il materiale dell'intelaiatura per l'installazione di cellula ottica è acrilico, ed è attaccato alla parte superiore della rete. Numero Descrizione: 1 = la grata in plastica, 2 = netto, 3 = il pulsante di selezione del ventilatore (lato destro), 4 = il pulsante di selezione del ventilatore (lato sinistro), 5 = la lampada ventilatore-operativo (lato destro), 6 = la lampada ventilatore-operativo (lato sinistro), 7 = pulsante start soffiatore, 8 = il bl ower di funzionamento lampada, 9 = il timer, 10 = interruttore di alimentazione, 11 = la spia di alimentazione power, 12 = display OLED e 13 = soffianti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: schema circuitale. L'alimentazione è di 12 V. La tensione di funzionamento delle soffianti è 12 V. controllo la velocità di rotazione della ventola dall'operazione di modulazione di impulso (PWM) larghezza impulso del pin di uscita. Collegare il volume di impostazione tempo funzionamento ventilatore al pin di ingresso analogico per modificare la tensione in base alla posizione di rotazione. Collegare l'organici diodi emettitori di luce (OLED) per la visualizzazione del tempo di operazione per i due pin di uscita digitale con un I2C. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: asciugatura distribuzione del tempo utilizzando etanolo. Il tempo di asciugatura in 30 sedi è stato misurato tre volte usando etanolo per ottenere la distribuzione. Il tempo medio di asciugatura in 30 sedi era 106 s. Il numero nella fila superiore rappresenta la posizione della cella. Il numero nella fila inferiore rappresenta il valore medio del tempo di asciugatura. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella 1: Confronto tra il tempo di essiccazione per cellule ottiche. Il tempo medio di asciugatura di essiccazione naturale dopo lavaggio con etanolo era 426,4 s e il tempo medio di asciugatura utilizzando l'asciugatrice cellula ottica era 106 s. Il tempo medio di asciugatura di essiccazione naturale dopo lavaggio con acqua era 1481.4 s e il tempo medio di asciugatura utilizzando l'asciugatrice cellula ottica era 371,6 s. per favore clicca qui per scaricare questo file.
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Discussion
Le cellule ottiche possono essere asciugate simultaneamente con i soffiatori, e il tempo di asciugatura può essere considerevolmente ridotta. Anche se l'operazione di arresto non viene eseguito, può essere interrotta in modo sicuro utilizzando la funzione di arresto automatico del timer. Dai risultati della misurazione della distribuzione tempo asciugatura, non c'era alcuna differenza significativa nel tempo di essiccazione a causa della differenza nella posizione di installazione delle cellule ottiche.
Un passaggio fondamentale del protocollo è il design del telaio. La sfida è come fare l'involucro compatto. È anche importante capire come impedire l'etanolo in eccesso o l'acqua di cadere nel compressore.
Per ridurre il tempo di asciugatura, si può aumentare il volume del vento delle soffianti, ma c'è il rischio che le cellule ottiche potrebbero saltare fuori. Per aumentare la capacità dei soffiatori e ridurre il tempo di asciugatura, è necessario ideare misure che impediscono, ad esempio collegando un apparecchio per il fissaggio delle cellule ottiche o allegare un coperchio all'asciugatrice per metterlo in una scatola. C'è anche un metodo per aumentare la temperatura dell'aria dell'ingresso delle soffianti per ridurre il tempo di asciugatura. A tal fine, è necessario aggiungere una funzione di controllo di temperatura per non danneggiare la cella di ottica. Tuttavia, si tratta di un compito futuro perché più complicato dispositivi e circuiti di controllo sono richiesti.
Un altro modo per ridurre il tempo di asciugatura è a vibrare le goccioline d'acqua per farli cadere, ma che è anche un argomento di ricerca futura.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori non hanno nessun ringraziamenti.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| blower | ebm-papst | 422JN | Mulfingen, Germany |
| Microcomputer | Atmel Corporation | ATmega 328 P | CA, USA |
| Blower selection button | Sengoku Densyo Co., Ltd. | MS-358 (red) | Tokyo, Japan |
| Blower operationg lamp | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | DB-15-T-OR | Tokyo, Japan |
| Blower start button | Sengoku Densyo Co., Ltd. | MS-350M (white) | Tokyo, Japan |
| Timer | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | SH16K4A105L20KC | Tokyo, Japan |
| Power supply switch | Marutsuelec Co., Ltd. | 3010-P3C1T1G2C01B02BKBK-EI | Tokyo, Japan |
| Power supply lamp | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | DB-15-T-G | Tokyo, Japan |
| OLED module | Akihabara Co., Ltd. | M096P4W | Tokyo, Japan |
References
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