Introduction: Un Photocolorimétre
Colorimètre pour la mesure de concentrations de cellules en culture ou de réactions enzymatiques
L’objectif de ce projet consiste à construire un appareil simple et peu coûteux qui permet la mesure de la composition de la couleur d’une solution, c'est-à-dire un colorimètre, et/ou sa densité optique, c'est-à-dire un photomètre.
Le photocolorimètre est un appareil permettant de mesurer l'absorbance, ou le pourcentage de transmittance, d'une solution pour un petit nombre de longueurs d'onde prédéterminées. La valeur d'absorbance peut être reliée à la concentration de l'entité colorée soit grâce à une courbe d'étalonnage, soit grâce à la loi de Beer-Lambert (voir la fiche en annexe).
La méthode de la courbe d'étalonnage consiste à comparer l'absorbance de la solution de concentration inconnue à l'absorbance de solutions de concentrations connues de la même entité, à la même longueur d'onde, pour une même cuvette.
Pour étudier par exemple un milieu de croissance bactériens ou de levures il faut travailler dans l'orange entre 600 nm pour minimiser l'interférence des protéines et d'autres molécules organiques (280 nm), l'objectif étant de rechercher une densité optique proportionnelle au nombre de cellules hétérotrophes dans la cuvette. 430 nm à 664 nm pour la "chlorophylle a" qui se caractérise aussi par sa fluorescence dans le proche infrarouge autour de 700 nm.
Par exemple pour analyser une solution rouge , vous pouvez utiliser une lumière verte, une jaune pour un colorant bleu.
Les capteurs mesurent la quantité de lumière ayant traversé la solution, comparée à la quantité entrante, et indiquent combien a été absorbé.
Le photomètre permet donc de mesurer la quantité de lumière atteignant un capteur. Vous placez un objet translucide entre la source de lumière et capteur, cela permet de calculer la quantité de lumière qui est absorbée. Ceci définit la densité optique de l’objet. La lumière « perdue » pourront absorbée par un colorant, ou dispersée par des particules, ou une combinaison des deux (qualité de l'eau, une suspension de culture de levures ou d'algue
Absorbance = f (concentration en cellules)
Les photomètres sont souvent utilisés pour mesurer les réactions (bio)chimiques, comme des changements de coloration d'une solution, en mesurant l'intensité d'un colorant indicateur comme l'eau iodée sur l'empois d'amidon . Pour une détection optimale nous utilisons une source de lumière monochromatique au lieu de la lumière blanche.
Numériquement la couleur est définie par une combinaison de trois nombres décrivant l'intensité dans les trois canaux Rouge-Vert-Bleu (RGB). Ainsi, le noir est 0-0-0, le blanc est 255-255-255, rouge pur 255-0-0 et ainsi de suite. L'orange pour des mesures de suspension de cellules correspond à 255-187-0.
Les LED présentent dans une grande variété de couleurs, donnent une lumière presque monochromatique et intense . Le capteur permet de mesurer l'intensité de la lumière transmise .
Les LED blanches, UV, bleues et vertes fonctionnent à environ 3,1 V, de sorte que vous pouvez les alimenter directement à partir de la sortie 3.3V de la carte Arduino. Pour les LED jaunes, orange et rouge, vous avez besoin d'une résistance en série entre la LED et la puissance, tension à 2,1 V (20 mA)
Étape 1 : Concept d'absorbance, conception et construction de la partie électronique capteur / recepteur (Annexe 1 et 2)
Étape 2 : Mesurer des valeurs physique et biologiques (couleur, concentration)
Étape 3 : Calculer la concentration d'un composé ou d'une culture d'une solution ou dans un milieu (g/100ml, ppm, mol/L)
Étape 4 : Équation d'une droite sur un tableur (voir les activités 1 et 2 sur l'humidité et la température
Étape 5 : proposer une extension dans le programme
Matériel:
- Arduino UNO
- Breadboard (générique)
- LED émettrice dans une longueur d'onde (LED 5 mm: rouge , LED 5 mm: verte , LED IR ..)
- Récepteur: capteur en photorésistance classique (ou mieux TCS34725 , TCS3200 et TSL2591 )
- Fils de cavalier mâle / femelle
- Résistance 221 ohm
- microscope
- levures de bière
- cuvette
- boutons, LED et câbles
Step 1:
Etape1 : Disposition de base de l’appareil , pièces requises, mise place des composants;
Illustration 21: Schéma de montage du colorimètre
Illustration 22: Montage fonctionnel du colorimètre
Applications: Phase de test du capteur : L’objectif ici est d’avoir une relation directe entre l’absorbance et la lumière captée, plus il y aura de lumière reçue par la photorésistance, moins il y aura de tension en sortie du pont. Et plus il fera sombre, plus la tension sera élevée.
Etape 2: les codes
Lorsque la tension en sortie du pont diviseur de tension créée avec la photorésistance et la résistance fixe chute, c’est que la luminosité augmente.
Ce montage de test de la photorésistance, du circuit et des LED indicatrices peut être utilisé aussi afin de détecter si la qualité d'éclairage d'une culture ou d'un environnement de travail . On rappelle que les tâches nécessitant la perception de détails comme la lecture ou l'observation de résultats d'expériences en classe ont besoin de 400 lux à 750 Lux. Le soleil peut apporte entre 25 000 lux (ciel couvert) et 100 000 lux.
Par comparaison, l’intensité lumineuse est de 1 000 à 10 000 lux dans les serres de production horticoles et 0,2 lux la par nuit de pleine lune .
Nos mesures peuvent globalement être converties en Lux (flux lumineux reçu par unité de surface).
Step 2:
Code 2: test du capteur et des LED
indicatrices
/*
BIOTECH - Circuit: LED émettrices, photoresistance et LED
Code pour Colorimètre et photocolorimètre
*
/ Variables
const byte ledR = 2;//Une LED pour indiquer le niveau de clarté insuffisant ou en lecture de données
const byte ledV = 3;//Une LED pour indiquer une bonne luminosité ou le passage important de lumière
int capteur = 0; //broche A0 sur laquelle va être connecté le pont diviseur de tension et la photoreistance
float tension = 0;//variable decimale qui va enregistrer la tension lue en sortie du capteur
float seuilsombre = 4.5;// valeur en V, seuil qui détermine le niveau auquel apparait un déficite de lumière pendant la mesure, signal de lecture
void setup()
{
//définition des broches utilisées
pinMode(ledR, OUTPUT);
pinMode(ledV, OUTPUT);
Serial.begin(9600); // la voie série pour visualiser
}
void loop()
{
tension = (analogRead(capteur) * 5.0) / 1024;// conversion de cette valeur en tension si vous ëtes alimenté en 5V
if(tension <= seuilsombre)
{
digitalWrite(ledR, LOW); //On allume la LED rouge
}
else
{
digitalWrite(ledR, HIGH); //On éteint la LED rouge
}
if(tension >= seuilsombre)
{
digitalWrite(ledV, LOW); //On allume la LED verte
}
else
{
digitalWrite(ledV, HIGH); //On éteint la LED verte
}
// envoie vers l'ordinateur, via la liaison série, la valeur de la tension lue
Serial.print("Tension = ");
Serial.print(tension);
Serial.println(" V");
delay(5000);// délai pour ne prendre des mesures que toutes les 5 secondes
}
