Создание школьного спектрофотометра на основе Arduino

Актуальность

В настоящее время одним из наиболее востребованных методов химического анализа веществ является спектрофотометрия, применяющаяся для определения концентрации различных веществ в растворах. Данный метод широко используется в медицине, микробиологии, ботанике. Однако необходимое для исследований оборудование имеет достаточно высокую стоимость. В связи с этим возникает необходимость в создании более дешёвых и при этом сравнительно точных спектрофотометров, пригодных для проведения опытов, например, на школьных уроках химии и в проектной деятельности учащихся.

Цель

Создание спектрофотометра для использования на школьных уроках химии в качестве оборудования при выполнении лабораторных работ.

Задачи

1. Изучить материалы интернет-ресурсов, предлагающие варианты использования Arduino для фотометрических исследований.
2. Изучить устройство существующих спектрофотометров и существующих датчиков, поставляемых в качестве учебного оборудования в школы.
3. Сконструировать прототип на базе Arduino, написать программу для его работы.
4. Проверить его работоспособность и провести тестирование.
5. Рассчитать стоимость прототипа. Произвести сравнение стоимости предложенного устройства и промышленных спектрофотометров.
6. Устранить недостатки с учётом проведённых испытаний.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Плата Arduino Uno
• Провода
• RGB-светодиод
• Фотоэлемент
• Трубка для корпуса
•  Кюветы для проведения опытов
• Посуда для приготовления растворов различной концентрации
• Раствор бриллиантового зелёного («зелёнка»)
• Компьютер
• Паяльник

Описание

1. Изучены физические основы фотометрии как метода проведения химических исследований (ноябрь-декабрь 2022).

2. Найдены англоязычные научные статьи, описывающие создание спектрофотометра для прикладных исследований, изучены методы проведения химических исследований с помощью спектрофотометра (январь 2022).

3. Создан прототип устройства, написана программа для его работы, произведены испытания.

В качестве источника света был выбран RGB-светодиод. Светодиод и фотоэлемент были размещены в стенках трубки, внутри которой помещалась стандартная кювета для проведения фотометрических измерений (декабрь 2021 – январь 2022).

4. Изучены методы калибровки спектрофотометров, устранены недостатки (погрешность измерений при воздействии посторонних источников света), проведены повторные испытания (январь-февраль 2022).

5. С помощью растворов зелёнки разной концентрации построена градуировочная кривая для длины волны 630 нм (январь-февраль 2022).

Результаты работы/выводы

Сконструирован прототип спектрофотометра на основе Arduino. Проведены исследования его работы с помощью растворов бриллиантового зелёного и стандартных химических растворов. Сделан вывод о возможности применения прибора для определения неизвестной концентрации раствора по построенной градуировочной кривой.

Перспективы использования результатов работы

Можно провести дальнейшие исследования для определения максимально достижимой точности концентрации веществ с помощью сконструированного прототипа. Можно заменить RGB-светодиод на ультрафиолетовый светодиод для исследования концентрации парацетамола в растворах.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГОУ

Мнение автора

«Участие в Открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» оставило положительные впечатления, способствовало развитию творческого потенциала и обмену опытом»