التحليل الطيفي في كف يدك؟

يريد أستاذ الكيمياء بجامعة إلينوي ألكسندر شيلين رؤية طلاب المدارس الثانوية يستخدمون هواتفهم المحمولة في الفصل الدراسي. ليس لإرسال رسائل نصية أو تصفح الإنترنت لا قدر الله، بل كجهاز تحليل كيميائي

يريد أستاذ الكيمياء بجامعة إلينوي ألكسندر شيلين رؤية طلاب المدارس الثانوية يستخدمون هواتفهم المحمولة في الفصل الدراسي. ليس لإرسال رسائل نصية أو تصفح الإنترنت لا قدر الله، بل كجهاز تحليل كيميائي.

وطور الأستاذ طريقة لصنع جهاز المطياف، وهو أداة كيميائية أساسية ومهمة، من وسائل رخيصة وأساسية وكاميرا رقمية. القياس الطيفي (دخول ويكيبيديا، قياس الطيف الضوئي) هي إحدى الوسائل الأكثر شيوعًا لتحديد وقياس المواد المختلفة في كل من العلوم الفيزيائية والعلوم البيولوجية والكيميائية. يوضح الباحث: "إذا أردنا قياس كمية البروتين في اللحوم، أو كمية الماء في الحبوب، أو الحديد في الدم، فإننا نفعل ذلك باستخدام القياس الطيفي".

لدى العديد من المدارس ميزانية محدودة للمعدات والإمدادات، لذلك تصبح أجهزة قياس الطيف مكلفة للغاية بالنسبة لفصول العلوم في المدارس الثانوية. حتى عند توفر الجهاز، يواجه الطلاب صعوبة في فهم مبادئ الكيمياء التحليلية في جوهرها لأن معظمها عبارة عن صناديق مغلقة - يقوم الطلاب ببساطة بإدخال العينات المناسبة في الجهاز واستقبال القيم العددية كمخرجات، وهذا دون إبداء رأيهم في العملية الكيميائية المستخدمة. وقال الباحث: "العلم يعني استخدام حواسك لفهم الأشياء، لكن التكنولوجيا اليوم متقدمة جدًا لدرجة أن كل شيء غير معروف لنا". ويضيف كبير الباحثين: "يتكون لدى الطالب انطباع بأن القياس هو شيء يتم داخل صندوق لا يمكن الوصول إليه وغير مفهوم بالنسبة له - وهو في نطاق فهم المهندس الخبير فقط". "ليس هذا ما نريدهم أن يتعلموه. لكي يتم فهم الفكرة العلمية بشكل صحيح، عليهم بناء الجهاز بأنفسهم."

وفي ضوء ذلك، طلب الباحث بناء مقياس طيفي أساسي ليس فقط بسيطًا ورخيصًا ولكنه شفاف أيضًا حتى يتمكن الطلاب من رؤية تشغيله الفعلي واللعب بمكوناته، وهو نشاط من شأنه أن يشجع الطلاب على التفكير وحل المشكلات. -مهارات حل. ليس من الضروري أيضًا أن يكون الجهاز هو الجهاز الأكثر دقة أو حساسية - في الواقع، يأمل الباحث أن تشجع أوجه القصور الواضحة في الجهاز الطلاب على فهم تشغيل الجهاز وقيوده.

في جهاز المطياف، يتم تمرير الضوء الأبيض من خلال محلول العينة. يمتص المحلول أطوال موجية معينة من هذا الضوء الأبيض. بعد ذلك، يقوم محزوز الحيود بتقسيم الضوء إلى طيف الألوان مثل المنشور (أو قوس قزح). يتيح تحليل الطيف الناتج للكيميائيين التعرف على خصائص العينة.

كمصدر للضوء، استخدم الباحث صمامًا ثنائيًا باعثًا للضوء (LED) مدعومًا ببطارية 3 فولت، وهو النوع المستخدم في سلاسل مفاتيح السيارة. ويمكن شراء شبكات الحيود والأنابيب التي تعطى فيها المحاليل من الشركات العلمية المناسبة مقابل بضعة سنتات. النظام ككل يكلف أقل من ثلاثة دولارات. المكون الإشكالي في النظام هو مستشعر الضوء، وهو مستشعر الصور، الذي يلتقط الطيف الذي يتم تحليله لاحقًا.

"فجأة خطرت لي فكرة رائعة عن مكان الحصول عليه: مستشعر الصور الذي يمتلكه الجميع اليوم! يوضح الباحث: "كل شخص تقريبًا لديه هاتف محمول، وجميع هذه الهواتف تقريبًا بها كاميرا رقمية". "لقد أدركت أنه إذا كان من الممكن نقل الصورة إلى جهاز كمبيوتر، فإن كل ما يفصلك عن بناء مقياس طيفي رخيص الثمن هو البرنامج." ولتحقيق هذه الغاية، كتب الباحثون برنامجًا يحلل الأطياف المخزنة في ملفات صور JPEG وقاموا بتوزيعها مجانًا عبر الإنترنت، بالإضافة إلى كود المصدر الخاص بها وتعليمات بناء واستخدام مقياس الطيف المعتمد على الهاتف الخلوي.

واستخدم الباحث نظامه المبتكر في عدة قاعات دراسية، وقد استقبل الطلاب الجهاز بحماس على الرغم من عدم خبرتهم بأي من الأجهزة. كما أبدى الطلاب اهتماماً متزايداً بالمفاهيم المختلفة للنظام مثل درجة حساسية المستشعر للضوء الموجود في الغرفة وتأثيره على القدرة على تحليل الطيف. تم نشر تفاصيل بناء مقياس الطيف الضوئي واستخدامه في مقال في المجلة العلمية Applied Spectroscopy. ويأمل الباحث أن يؤدي النشر العام للبرنامج والنظام ومكوناته إلى قيام المطورين الآخرين بمزيد من التحسين والارتقاء بقدرات هذا الجهاز.

ويوضح الباحث أن "الإمكانية تكمن في إمكانية تحويل مجال الكيمياء التحليلية إلى مجال مشترك وليس موضوعا يهتم به العلماء فقط".

أخبار الدراسة