Summary
Um protocolo para a fabricação de um dispositivo para secagem simultaneamente várias células ópticas é apresentado.
Abstract
Células ópticas, que são instrumentos experimentais, são pequenas, Praça tubos selados em um lado. Uma amostra é colocada no tubo, e uma medição é realizada com um espectroscópio. Os materiais usados para células ópticas geralmente incluem quartzo vidro ou plástico, mas caro vidro de quartzo é reaproveitado através da remoção de substâncias, que não sejam líquidos, para ser analisado que aderem ao interior do recipiente. Nesse caso, as células ópticas são lavadas com água ou álcool etílico e secas. Então, o próximo exemplo é adicionado e medido. Células ópticas são secos naturalmente ou com secador de cabelo manual. No entanto, a secagem leva tempo, que o torna um dos fatores que aumentam o tempo de experiência. Neste estudo, o objetivo é reduzir drasticamente o tempo de secagem com um secador automático dedicado que pode secar várias células ópticas de uma só vez. Para perceber isso, um circuito foi projetado para um microcomputador, e o hardware de usá-lo independente foi projetado e fabricado.
Introduction
Células ópticas são usadas como instrumentos de laboratório em uma grande variedade de campos. Na pesquisa de Ciências da vida, biomoléculas tais como proteínas e ácidos nucleicos são frequentemente utilizadas para experiências e métodos espectroscópicos são amplamente utilizados para métodos quantitativos. Quantificar com precisão o exemplo da experiência é indispensável para a obtenção de resultados mais precisos e reprodutíveis. O espectro de absorção, obtido por um espectrofotômetro, muitas vezes tem sido utilizado para a quantificação de biomoléculas, tais como os ácidos nucleicos e proteínas1,2,3,4. Pesquisas sobre características de oxidação-redução causada pela mudança no espectro de absorção e fotoluminescência de um nanotubo de carbono (CNT) dispersada usando DNA também tem sido realizado5,6,7, 8,9,10. Células ópticas são utilizadas para as medições, mas não podem ser feitas medições precisas, a menos que eles são cuidadosamente lavados e secas.
Quando medir espectros de absorção ou fotoluminescência, é impossível medir precisamente em células óptico sujo11,12,13,14,15. Econômicas células ópticas descartáveis feitas de poliestireno e o poli-metil-metacrilato também são usadas para eliminar a contaminação e lavagem. No entanto, quando medidas precisas são necessárias, óculos de quartzo são frequentemente usados, porque eles têm extremamente excelentes propriedades ópticas, tais como a transmissão da luz. Neste caso, as células ópticas são lavadas após a medição da amostra e usadas repetidamente. Normalmente, após a lavagem óticas células com água ou álcool etílico, eles são secos naturalmente. Quando a secagem rápida é necessária, eles são secos um por um, com o uso de secadores de cabelo ou outro equipamento semelhante. Limpeza de células ópticas é um dos procedimentos mais desagradáveis e demorados no experimento. À medida que aumenta o número de amostras, a secagem tempo aumenta, o que, por sua vez, aumenta o tempo necessário para realizar o experimento e pesquisa. Em últimos estudos, não tem havido relatos de dispositivos periféricos de células ópticas. Este estudo tem como objetivo reduzir o tempo de investigação por secagem várias células ópticas simultaneamente.
Investigamos se a outros produtos similares existem. Uma temperatura constante de caixa tipo secador com uma função de controle de temperatura e uma função de temporizador já existe; no entanto, não há produtos comerciais com a mesma configuração podem ser encontrados.
Um esboço da produção deste dispositivo é descrito. Em primeiro lugar, o caso do tipo caixa é feito usando uma placa de acrílico. Rede de nylon é anexado ao topo. Uma grade de plástico é colocada sobre ele para fixar a célula ótica. O circuito de controle é armazenado dentro da caixa, e a placa de plástico é anexada para proteger o circuito de gotículas de água. O circuito de controle consiste em uma CPU e é controlado pelo software. Ventiladores são conectados à parte traseira do caso, e o vento fornecido por ventiladores entra as células ópticas conjunto de cabeça para baixo. Os ventiladores são ativados por um interruptor na parte da frente, e eles são interrompidos automaticamente por um temporizador. Dependendo do número de células ópticos a ser secada, dois ou quatro ventiladores podem ser selecionados para a operação. Gotas de água escorrendo das células ópticas evaporar-se com o vento dos ventiladores. As células de quartzo são lavadas com água ou álcool etílico, e o tempo de secagem é comparado com o de secagem natural.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. design
- Veja a Figura 1 para obter detalhes sobre o desenvolvimento de desenho.
- Cortar uma placa de acrílico 3 mm espessura de 210 mm de largura x 60 mm de altura x 104 mm de profundidade, vínculo com adesivo acrílico e montar o caso.
- Instale até 30 células ópticas de 12,5 x 12,5 mm.
- Anexe os interruptores e lâmpadas para partida e parada e um seletor variável para a configuração de tempo de secagem na face frontal da caixa.
- Consulte a Figura 2 para uma visão externa e a configuração do componente.
- Use nylon e acrílico para a embalagem e rede, respectivamente. Consertar a rede para o quadro e anexá-lo para a parte superior do caso.
- Use o acrílico para a treliça da instalação óptica-célula. Anexá-lo ao topo da rede.
- Monte os ventiladores na parte de trás do caso.
- Use o acrílico translúcido para uma partição de prevenção waterdrop.
2. hardware Design contorno
- Veja a Figura 3 para obter detalhes do diagrama de circuito.
- Desça do 12 V para 5 V por um regulador de três terminais para operar o microcomputador.
- Ativar o ventiladores através de um NPN transistor (25 V, 500 mA).
Nota: Porque o pino de saída do microcomputador é de 5 V. - Controle a velocidade de rotação dos ventiladores pela operação de modulação (PWM) de largura de pulso do pino de saída.
Nota: O ventilador está sendo conduzido, o número de rotações é controlado, e a força é alterada periodicamente. - Ligue o interruptor de pressão do começo para o pino de entrada digital.
- Conecte o pino de entrada analógico para mudar a tensão de acordo com a posição rotacional, volume de configuração de tempo de operação dos ventiladores.
- Conecte o orgânico diodo emissor de luz (OLED) para a exibição de tempo de operação nos dois pinos de saída digital com um circuito interintegrado (I2C).
- Ligar o LED que se acende durante a operação para o pino de saída digital.
3. software Design contorno
- Use um microcomputador para controlar os ventiladores.
Nota: O ambiente de desenvolvimento foi construído usando o Arduino, que é um dos ambientes de desenvolvimento chamados hardware aberto, e todos os circuitos e software estão abertos ao público. -
Contorno da operação
- Pressione o interruptor de arranque.
- Ler o estado do botão especificado pelo botão select na frente e ativar o soprador de acordo com o estado.
- Leia o tempo de secagem, definido pelo resistor variável na frente, como um sinal de tensão e começar a contagem regressiva do temporizador.
- Desligue as luzes de LED acima e exibir o tempo restante sobre o OLED.
-
Explicação detalhada
- Leia a posição de volume ligado ao pino de entrada analógico como uma tensão; em seguida, ele converte para o tempo de operação do ventilador e exibe sobre o OLED.
- Detectar o ON/interruptor ligado ao J1-9, 10 pinos do diagrama de circuito quando se pressiona o interruptor de arranque, ligue o pino de unidade dos ventiladores, ativar os ventiladores e acenda o LED durante a operação.
- Controle os ventiladores por PWM. Detectar a posição do resistor variável 10-kΩ ligado ao diagrama de circuito J1-5, 6, 7 e dirigir os ventiladores com o correspondente saída.
- Detecta a posição do resistor variável 10-kΩ ligada ao circuito de diagramas J1-1, 2, 3 pinos pela configuração de secagem tempo e ativar os ventiladores durante um tempo correspondente àquele.
- Ligar o LED de alimentação para os diagramas de circuito J1-15, 16 pinos. Conecte o início LED os diagramas de circuito J1 - 12, 13.
Nota: O LED de alimentação acende-se quando a potência ativa e o início LED acende enquanto os ventiladores são ativados. - Conecte o OLED PB4, PB5 da CPU com um I2C.
Nota: O tempo de operação apresentado sobre o OLED é contado para baixo a cada segundo. Quando o tempo de operação atinge 0, pino de unidade dos ventiladores é definido como 0, os ventiladores são parados e o funcionamento do LED está desligado para fazer a transição para o estado inicial de repouso. - Use a biblioteca de Adafruit SSD1306 para um display OLED de Arduino.
Nota: Quando o interruptor está ligado, opera-se na ordem de inicialização e mensagem de exibição. Uma parte do código-fonte é mostrada abaixo como um exemplo de utilização desta biblioteca.
#include "Wire.h";
#include < Adafruit_SSD1306.h >
#define OLED_RESET -1
Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);
void Setup () {
Serial.Begin(115200);
ao mesmo tempo (!. {Série)
; Espera-se para a porta serial conectar. Necessário somente para Leonardo
}
Wire.Begin (SDA, SCL); (SDA, SCL)
Delay(1000);
display.clearDisplay(); Limpe o buffer.
display.setTextSize(1);
display.clearDisplay();
display.Print F ("SD"); Weake Up mensagem Display(Version)
display.println(ver);
display.display();
}
4. método de operação
- Consulte a Figura 2 para obter detalhes da vista externa.
- Gire o interruptor de alimentação principal do número 10. Acende-se a lâmpada de operação de número 11.
- Coloca as células ópticas no malha número 2 da parte da estrutura do plástico do número 1.
Nota: O número de células ópticas que podem ser montados é tantos como o número de grades. - Selecione uma operação de dois-ventilador ou quatro-ventilador. Dependendo da situação de condução, acende a lâmpada de operação do número 5 e o número 6.
Nota: Número 3 é um interruptor de funcionamento os ventiladores do lado direito, e o número 4 é um interruptor de funcionamento os ventiladores do lado esquerdo. - Defina o tempo de operação com o temporizador com número 9.
- Vez o número 7.
Nota: O ventilador com número 12 começa, e, ao mesmo tempo, acende a lâmpada de operação do número 8.
5. método para medir o tempo de secagem
-
No caso de secagem natural
- Lave as células ópticas abundantemente com água ou álcool etílico. Use papel absorvente grosso para absorver a umidade das células ópticas, então mover as células para outro lugar, sobre o papel absorvente grosso e espere até secar.
-
No caso do secador óptico-célula
- Lave as células ópticas abundantemente com água ou álcool etílico.
Nota: Use papel absorvente grosso de temporariamente absorver a umidade. - Coloque as células ópticas na secadora óptico-célula e, em seguida, esperar até que estejam secos.
- Medir o tempo de secagem 3 x para cada célula.
- Lave as células ópticas abundantemente com água ou álcool etílico.
-
Comparação dos valores médios
- Medida a secagem vezes 3x 30 lugares para obter a distribuição.
Nota: Este é para detectar a diferença de tempo de acordo com a posição das células na secadora óptico-célula. - Use valores médios de todos os 30 lugares para uma comparação com a água.
Nota: No caso de lavagem com água, determinar as posições das células ópticas aleatoriamente, em seguida, medir o tempo de secagem em 10 pontos.
- Medida a secagem vezes 3x 30 lugares para obter a distribuição.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Conforme mostrado na tabela 1, no caso de lavagem de etanol, a média de tempo de secagem natural de secagem foi 426.4 s e a média de tempo no secador óptico-célula de secagem foi 106 s. No caso da água de lavagem, a tempo de secagem natural de secagem média foi 1481.4 s e a média de tempo no secador óptico-célula de secagem foi 371.6 s. Em ambos os casos, o tempo de secagem foi reduzido a aproximadamente um quarto. A distribuição de tempo secagem do secador óptico-célula é mostrada na Figura 4. A média de tempo de secagem em 30 locais foi 106 s. O número da linha superior representa a posição da célula. O número na linha inferior representa o valor médio do tempo de secagem.
O volume de ar do ventilador era 31 m3/h por uma unidade, sendo o total das quatro unidades 124 m3/h. A temperatura do ar foi a temperatura ambiente, e o controle de temperatura não foi realizado.
Figura 1: desenho desenvolvimento. Anexar a rede no topo da caixa de acrílico e montar uma grade de plástico para fixação das células ópticas que estão conectadas em cima dela. O tamanho da caixa é de 210 mm de largura x 60 mm de altura x 104 mm de profundidade e 30 células ópticas 12.5 x 12.5 mm podem ser montadas ao mesmo tempo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: vista externa. O material do invólucro é acrílico, que é fácil de processo. O material da rede é de nylon. É fixada ao quadro e anexado à parte superior do caso. O material da estrutura para a instalação de célula ótica é acrílico, e está ligado à parte superior da rede. Número Descrição: 1 = o retículo de plástico, 2 = o líquido, 3 = o botão de seleção de ventilador (lado direito), 4 = o botão de seleção de ventilador (lado esquerdo), 5 = a ventilador em funcionamento da lâmpada (lado direito), 6 = a ventilador em funcionamento da lâmpada (lado esquerdo), 7 = botão iniciar soprador, 8 = bl lâmpada operacional Ower, 9 = o timer, 10 = interruptor de alimentação, 11 = a luz de alimentação power, 12 = o display OLED e 13 = os ventiladores. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: diagrama de circuito. Fonte de alimentação é de 12 V. A tensão dos ventiladores é 12 V. controle da velocidade de rotação do ventilador por operação de modulação (PWM) de largura de pulso do pino de saída. O volume de configuração de tempo de operação ventilador Conecte o pino de entrada analógico para mudar a tensão de acordo com a posição rotacional. Conecte o orgânico diodo emissor de luz (OLED) para a exibição de tempo de operação nos dois pinos de saída digital com um I2C. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: distribuição de tempo usando etanol de secagem. O tempo de secagem em 30 locais foi medido três vezes usando etanol para obter a distribuição. A média de tempo de secagem em 30 locais foi 106 s. O número da linha superior representa a posição da célula. O número na linha inferior representa o valor médio do tempo de secagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1: Comparação entre o tempo de secagem para células ópticas. A média de secagem tempo de secagem natural, após lavagem com etanol foi 426.4 s e a média de tempo usando o secador óptico-célula de secagem foi 106 s. A média de secagem tempo de secagem natural, depois de lavar com água 1481.4 s e a média de tempo usando o secador óptico-célula de secagem foi 371.6 s. , por favor clique aqui para baixar este arquivo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
As células ópticas podem ser secos simultaneamente com os ventiladores, e o tempo de secagem pode ser consideravelmente reduzido. Mesmo que a operação não seja executada, pode ser interrompido com segurança usando a função de paragem automática do timer. Dos resultados da medição da distribuição do tempo de secagem, não houve nenhuma diferença significativa no tempo de secagem por causa da diferença na posição de instalação das células ópticas.
Uma etapa crítica do protocolo é o design do invólucro. O desafio é como fazer a embalagem compacta. Também é importante descobrir como impedir que o excesso de etanol ou água caindo no ventilador.
Para reduzir o tempo de secagem, o volume de vento dos ventiladores pode ser aumentado, mas há um risco de que as células ópticas podem saltar para fora. Para aumentar a capacidade dos ventiladores e reduzir o tempo de secagem, é necessário conceber medidas que impedem que isto, como anexar um dispositivo elétrico para a fixação das células ópticas ou anexar uma tampa para o secador para colocá-lo em uma caixa. Há também um método de aumentar a temperatura do ar de admissão dos sopradores para reduzir o tempo de secagem. Para este efeito, é necessário adicionar uma função de controle de temperatura para não danificar a célula óptica. No entanto, essa é uma tarefa futura porque mais complicado de dispositivos e circuitos de controle são necessários.
Outra maneira de reduzir o tempo de secagem é a vibrar as gotas de água para fazê-los cair, mas que também é um tópico de pesquisa futura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores têm sem confirmações.
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
- Byeon, J., Kang, K. H., Jung, H. K., Suh, J. K. Assessment for Quantification of Biopharmaceutical Protein Using a Microvolume Spectrometer on Microfluidic Slides. Biochip Journal. 11 (1), 21-29 (2017).
- You, C. C., et al. Detection and identification of proteins using nanoparticle-fluorescent polymer 'chemical nose' sensors. Nature Nanotechnology. 2 (5), 318-323 (2007).
- Nonaka, H., Hideno, A. Quantification of cellulase adsorbed on saccharification residue without the use of colorimetric protein assays. Journal of Molecular Catalysis. 110, 54-58 (2014).
- Thongboonkerd, V., Songtawee, N., Kanlaya, R., Chutipongtanate, S. Quantitative analysis and evaluation of the solubility of hydrophobic proteins recovered from brain, heart and urine using UV-visible spectrophotometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 384 (4), 964-971 (2006).
- Nakashima, N., Okuzono, S., Murakami, H., Nakai, T., Yoshikawa, K. DNA dissolves single-walled carbon nanotubes in water. Chemistry Letters. 32 (8), 782-782 (2003).
- Ishibashi, Y., Ito, M., Homma, Y., Umemura, K. Monitoring the antioxidant effects of catechin using single-walled carbon nanotubes: Comparative analysis by near-infrared absorption and near-infrared photoluminescence. Colloids and Surfaces B-Biointerfaces. , 139-146 (2018).
- Zheng, M., et al. DNA-assisted dispersion and separation of carbon nanotubes. Nature Materials. 2 (5), 338-342 (2003).
- Hughes, M. E., Brandin, E., Golovchenko, J. A. Optical absorption of DNA-carbon nanotube structures. Nano Letters. 7 (5), 1191-1194 (2007).
- Zhao, W., Song, C. H., Pehrsson, P. E. Water-soluble and optically pH-sensitive single-walled carbon nanotubes from surface modification. Journal of the American Chemical Society. 124 (42), 12418-12419 (2002).
- Koh, B., Park, J. B., Hou, X. M., Cheng, W. Comparative Dispersion Studies of Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Solution. Journal of Physical Chemistry B. 115 (11), 2627-2633 (2011).
- Nakayama, T., Tanaka, T., Shiraki, K., Hase, M., Hirano, A. Suppression of single-wall carbon nanotube redox reaction by adsorbed proteins. Applied Physics Express. 11 (7), 075101-075101 (2018).
- Zeranska-Chudek, K., et al. Study of the absorption coefficient of graphene-polymer composites. Scientific Reports. 8, 9132-9132 (2018).
- Laptinskiy, K. A., et al. Adsorption of DNA Nitrogenous Bases on Nanodiamond Particles: Theory and Experiment. Journal of Physical Chemistry C. 122 (20), 11066-11075 (2018).
- Jena, P. V., Safaee, M. M., Heller, D. A., Roxbury, D. DNA-Carbon Nanotube Complexation Affinity and Photoluminescence Modulation Are Independent. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (25), 21397-21405 (2017).
- Ohfuchi, M., Miyamoto, Y. Optical properties of oxidized single-wall carbon nanotubes. Carbon. 114, 418-423 (2017).
