描述

光譜學用于確定或量化給定樣品的成分。構成這種成分的分子和原子類型將吸收某些波長的光，同時讓其他光通過。與對照相比，從給定樣品吸收的光量之間的差異可用于測量組合物在特定波長下的吸光度。

吸光度值可進一步用于色度分析以確定化學溶液的濃度。

介紹

該項目的目標是確定沉水植物和藻類標本的健康狀況；但是，它也可以用于浮現物種。為了確定植物或藻類的健康狀況，我們首先必須測量它們的葉綠素濃度，這是分光光度計的用武之地。

分光光度計使用主波長峰值分別為 645nm 和 663nm 的發光二極管 (LED)。這些波長中的每一個都代表葉綠素 a 和 b 的峰值吸收范圍。光線落在光敏電阻 (LDR) 上，隨著更多光線落在其上，電阻會降低，從而導致 Arduino 測量的電壓增加。

通過使用來自 LDR 的電壓變化，可以確定吸光度水平，因此也可以確定葉綠素濃度。目的是使用這些葉綠素濃度來確定植物或藻類種群是否健康。

設計

圖 1：使用 LTspice [2] 的分光光度計的電路級示意圖

?

對于這個項目，使用了 OPEN-SMART Rich UNO R3 板，因為它是作為 Biomaker 挑戰的一部分提供的。該板使用與 Arduino Uno 相同的引腳布局，非常適合該項目。

圖 2：從 Arduino 網站看到的 Arduino Uno 板

?

電路設計

• 去抖按鈕

按鈕本身在按下時不會產生單個開關信號，因為金屬連接器之間會發生振動，從而導致不可預測的輸出。

為了克服這種不可預測的輸出，按鈕需要去抖動。這可以在代碼內或物理電路內實現；該項目的實施選擇了后者。

為了實現按鈕的去抖動，我們需要一個 27 kΩ 和 100 kΩ 電阻以及一個 1 uF 電容。如圖 1 所示，將這些組件連接到面包板上。紅色（5V）和紫色（地）線也應連接到 Arduino。

最終產品應如下所示：

圖 3：去抖動按鈕的物理實現

?

• LED電路配置

分光光度計分兩個階段工作，分別測量不同的波長吸收。階段的順序無關緊要，只要它們是分開的即可。在本例中，我們將使用 645 nm LED 作為階段 1，將 660 nm LED 作為階段 2。

第 1 階段：將其中一個較小面包板頂行上的 2 個 645 nm LED 連同一個 200 Ω 電阻連接到具有公共接地的 LED 的較短腿上。使用較長的腿將引腳 D9 和 D11 分別連接到它們自己的 LED。

第 2 階段：使用與第 1 階段相同的電阻器配置連接同一面包板底行上的 2 個 660 nm LED。對于此階段，使用較長的腿將引腳 D12 和 D13 分別連接到它們自己的 LED。

圖 4：LED 電路的物理實現

?

• LDR 電路配置

LDR 沒有極化，因此它們可以放置在任何旋轉配置中。

將 LDR 分別放在第二個較小的面包板的下半部分。將一個 12 kΩ 電阻器連接到每個 LDR 的內腿以及它們各自的輸出引腳，即 A1 和 A3。電阻器可以連接到公共地線，每個 LDR 還應連接到其外部引腳的 5 V 電壓。

圖 5：LDR 電路的物理實現

?

繼續將電路中尚未連接的任何電線連接到 Arduino 上各自的端口，如圖 1 所示。

組合電路

現在分光光度計的所有獨立電路組件都已設置好，我們可以開始將它們組裝在一起。

任何有蓋的足夠大的容器都可以用來裝分光光度計（我們用的是舊鞋盒）。容器也需要不透明，因為我們不希望任何不需要的光源影響結果。

使用雙面膠帶將 LED 和 LDR 電路放在容器的相對兩側。將兩個電路調平，使其高度與放置在兩個電路之間的比色皿相同。在一張紙箱紙或任何其他柔軟但堅固的材料上剪下兩條窄縫（我們使用的是 A4 書的精裝本）。

在 LED 和 LDR 電路之間放置并對齊狹縫（當 LED 發光時，此步驟更容易）。Arduino 和去抖動按鈕板可以放置在容器底部或任何其他合適的方式。

現在也是整理項目的好時機，以避免電路超出圖 6 所示的電線。

圖 6：最終組裝演示

?

編譯并運行為 Arduino 提供的代碼后，我們可以從介紹中指定的如何使用分光光度計的示例開始。

*注意：我們使用圓柱形樣品瓶，因為試管很難找到。這種變化需要一些調整和對齊，因為如果小瓶沒有與狹縫正確對齊，光線很容易彎曲然后廣泛散射。

額外：葉綠素測量

• 用于葉綠素測量的植物物種的樣品制備，其中使用研磨沉降法，如 [1, p. 532]：

從 Mircrosorum ptreropus（爪哇蕨）水生植物物種的葉子中提取了 300 毫克樣品。然后將該樣品在研缽和研杵內用 5 mL 80% 丙酮和 10 mg 碳酸鈣研磨約 3 分鐘。

然后將混合物轉移到小瓶中，加入 80% 丙酮使總體積達到 25 mL。然后將該溶液在黑暗中儲存12小時。

圖 7：右側為研磨混合物，左側為最終 25 mL 溶液

?

在 12 小時的等待期后，立即過濾小瓶的內容物并轉移到比色皿中。另一個比色皿僅填充 80% 丙酮并用作對照。

將兩個比色皿放入分光光度計的支架中，測量光強度并使用附錄 A 中的公式 1 計算吸收率。然后使用公式 2 和 3 使用每個波長的吸收值計算葉綠素 a/b 濃度附錄 A 中提供。

正如我們在項目中所經歷的那樣，由于制造的電子元件具有很大的工作可變性，因此每個設備的結果可能會有所不同。由于這些差異，我們決定測量已知不健康植物或藻類的葉綠素水平。然后將這些測量結果與未知樣本的結果進行比較，以確定植物或藻類的健康狀況。

項目擴建

該項目構成了工作分光光度計的基礎，具有很大的更改和/或擴展空間。

進一步改進分光光度計功能的想法：

• 使用棱鏡和步進電機以及涵蓋所有這些波長范圍的光源轉換為完整的電磁光譜觀察。
• 添加輸出設備以滿足用戶的需求，例如 LCD 顯示器以顯示 Arduino 串行監視器上顯示的輸出。
• 添加組合輸入/輸出設備以滿足用戶的需求，例如添加觸摸屏顯示器來監控和管理設備的操作。

參考

[1] S. Su, Y. Zhou, JG Qin, W. Yao, and Z. Ma, “水生植物葉綠素提取方法的優化” , 淡水生態學報, vol. 25，沒有。4，第 531-538 頁，2010 年。

[2] M. Engelhardt，LTspice? XVII，2016 年。

附錄 A

• 讓 X = 樣品光強度
• 讓 Y = 控制光強度

吸光度 = log10( Y/X ) (1)

葉綠素提取方程從 [1, p. 533]。

• 令 A645 = 波長為 645nm 的光的吸光度
• 令 A663 = 波長為 663nm 的光的吸光度

葉綠素 a (μg/g) = 12.72(A663) - 2.59(A645) (2)

葉綠素 b (μg/g) = 22.9(A645) - 4.67(A663) (3)