Spektrofotometr a fluorimetr pro výukové účely

Projekt je uzpůsobený pro studenty/ky středních škol jak chemického tak nechemického zaměření, samozřejmě i gymnázií. Vzhledem k tomu, že jednotlivé úlohy, které zároveň navrhujeme a dáváme k dispozici k využití, zvládli bez navrhované 3D-vytisknuté komory i studenti/ky 8. a 9. tříd ZŠ, je možné jej využít i pro tuto věkovou skupinu. Svým charakterem je ale navrhovaný projekt možné využít i v základním či učitelském praktiku z analytické chemie na VŠ, kde může sloužit jako projekt, který demonstruje konstrukci a princip fungování spektrofotometrických a fluorimetrických přístrojů. 

Mezi nutné prerekvizity patří 

(1) schopnost základního modelování v programu Fusion360 případně pro jednodušší modely i v programu TinkerCAD, případně upravovat již existující .stl soubory s navrženými modely dle svých technických možností pro stavbu spektrofotometru/fluorimetru, 

(2) schopnost slicovat v základním režimu programu PrusaSlicer, 

(3) ovládat 3D tiskárnu na úrovni běžného uživatele, 

(4) ovládat a obdržet data ze senzorů chytrého telefonu (fotoaparát a senzor intenzity osvětlení) a 

(5) základní uživatelské schopnosti ovládání programu MS Excel, případně jiného tabulkového editoru pro vyhodnocení dat. 

Cílem projektu je namodelovat, vytisknout a prakticky využívat spektrofotometr a fluorimetr, který sestává z plastové komory vytištěné na 3D tiskárně a chytrého telefonu, který svými senzory tvoří měřicí část improvizovaného spektrofotometru/fluorimetru. Výsledkem je funkční model přenosného spektrofotometru a fluorimetru, které se dají ve spojení s libovolných chytrým telefonem použít k měření intenzity zabarvení a intenzity fluorescence libovolnýhch látek kolem nás. Vzhledem k tomu, že princip spektrofotometrie a fluorimetrie je intuitivní (intenzita zabarvení a intenzita fluorescence látek je přímo úměrná jejich koncentraci), a vzhledem k tomu, že obě metody jsou v současné době velmi využívané v odborné, vědecké, kontrolní i klinické praxi, dovolí tak hotový výrobek studentům/kám nahlédnout pod pokličku moderní analytické chemie bez nutnosti pořizovat velmi nákladné přístrojové vybavení.

Během modelování a 3D tisku se studenti seznámí se základním softwarem pro 3D modelování a 3D tisk a rozšíří si tak své kompetence o práci s modelovacím softwarem, řešení případných problémů s úpravou modelů v rámci vlastního specifického technického zázemí. Hotový výrobek pak rozvíjí kompetence v oblasti samostatné intuitivní práce s vlastním vytvořeným přístrojem. Hotový výrobek leze s výhodou využít pro řadu badatelsky orientovaných úloh, které jsou v současné době moderním trendem v oblasti STEM vzdělávání. Návrhy na tyto úlohy a zároveň návrh možných doplňkových pomůcek jsou přiloženy k tomuto projektu. 

• PC s přístupem na internet a tabulkovým editorem
• akademická licence Fusion360 případně TinkerCAD
• LED svítilna
• UV LED svítilna
• chytrý telefon
• krabička od Tic Tacu zbavená horní neprůhledné plastové části
• kádinka 100 ml nebo jiná vhodná nádoba
• vybavení na vážení a ředění roztoků (postačí kuchyňské váhy, odměrky, příp. injekční stříkačky)
• libovolný zbarvený roztok, který se bude ředit (viz dále návrhy úloh v separátním souboru https://1drv.ms/w/s!AtgiDijCt9TmieIiZ6QkaQA2sZjeLg?e=f1hyOF)
• pomocný soubor pro vyhodnocení spektrofotometrie (spektrofotometrie.xlsx nebo https://1drv.ms/x/s!AtgiDijCt9TmieE3OMpte1lDJN2uyg?e=rhho00)
• libovolný fluoreskující roztok (viz dále návrhy úloh v separátním souboru https://1drv.ms/w/s!AtgiDijCt9TmieImrsQqhuhrTi2-OQ?e=IggMvB)  

• Seznámení s projektem - do 1 hod
• Modelování - 2 - 3 hodiny
• Tisk - každý výrobek cca 9 hod
• Příprava úloh - do 1 hod
• Realizace úloh - 2 - 3 hodiny
• Reflexe úloh - do 1 hodiny

Seznámení s projektem a instrukce

• S projektem včetně modelování seznámíme studenty/ky, kteří mají zájem o konstrukční úlohy a zdokonalení při práci s modelovacími programy. 
• Představíme jim smysl projektu a jeho přibližnou časovou náročnost. 
• Provedeme soupis vybavení, které je pro projekt potřeba a zjistíme, zda je potřeba v některých částech konstrukce provést změny na základě dostupného vybavení. 

Modelování spektrofotometru a fluorimetru

• Vzhledem k tomu, že modelování obou součástek není pro úplné začátečníky zcela triviální, je potřeba studenty/ky, kteří budou konstrukční část provádět, seznámit s prostředím programu Fusion360. 
• Představíme studentům/kám ve škole dostupné modely LED/UV svítilen, kádinek a dalších věcí, které jsou součástí hotového výrobku, aby mohli projekt upravit dle dostupnosti těchto součástek.
• Zřídíme studentům/kám, kteří budou modelování provádět, studentské účty ve Fusion360 Education. Můžeme tak kontrolovat a případně korigovat průběh modelování. 
• Ponecháme studentům/kám dostatečný čas na modelování dle přiloženého návodu.

Slicování a 3D tisk

• Tento krok je již žádoucí provést s celou skupinou, která bude hotové produkty využívat, neboť se seznámí s nejčastějšími operacemi, které 3D tisk obnáší. 
• Provedeme s nimi společně slicování namodelovaných .stl souborů a jejich export do .gcode. 
• Předvedeme základní operace s 3D tiskárnou (čištění podložky, zavedení a vyjmutí filamentu, tisk z SD karty, správné sejmutí produktu z tiskové podložky) a následně ponecháme každou skupinu žáků si vytisknout a sestavit spektrofotometr a fluorimetr. 

Realizace měření na hotovém spektrofotometru

• Pro měření na spektrofotometru je možné využít předpřipravený návod pro měření koncentrace vodného roztoku modré skalice - https://1drv.ms/w/s!AtgiDijCt9TmieIiZ6QkaQA2sZjeLg?e=f1hyOF 
• Pro vyhodnocení měření je připravený volně stažitelný soubor https://1drv.ms/x/s!AtgiDijCt9TmieE3OMpte1lDJN2uyg?e=rhho00 (vyplňujeme pouze fialově zvýrazněná pole, vše ostatní soubor počítá sám; výsledek koncentrace neznámého vzorku je v červeně/zeleně/modře zbarvených buňkách v listu DATA a instrukce pro vyhodnocení jsou v návodu)
• Vyhodnocovací soubor si stáhněte a neupravujte jej online! 
• Návod je možné upravit pro jakoukoliv jinou látku, u které otestujeme, že poskytuje dobré výsledky (příjemné je měřit obsah potravinářských barviv v nápojích apod.)
• Koncentrace neznámého vzorku by měla ležet uvnitř intervalu koncentrace nejméně a nejvíce koncentrovaného kalibračního roztoku. Na tuto zásadu je třeba dbát při úpravě návodů. Pro vyhodnocení různých vzorků je možné využít stejnou tabulku, jako pro představenou úlohu.
• Orientační časová náročnost na vypracování je 90 minut. 

Realizace měření na hotovém fluorimetru

• Úloha je dimenzována jako badatelská. Studenti/ky budou v průběhu práce přicházet na různé problémy, které musí sami nebo za pomoci vyučujících řešit. Součástí úlohy je formulace hypotéz, metodik a jejich ověřování. 
• Návod pro úlohu lze stáhnout jako pdf nebo editovatelně zde https://1drv.ms/w/s!AtgiDijCt9TmieImrsQqhuhrTi2-OQ?e=IggMvB 
• Orientační časová náročnost úlohy je cca 120 min, je možné ji realizovat ve více blocích. 

Reflexe projektu a metodické poznámky

• Na základě zpětné vazby od studentů/ek úlohu doporučujeme pro střední školy do volitelného chemického kroužku nebo laboratorního praktika.
• Studenti/ky oceňují, že projekt demonstruje funkci jinak velmi drahých přístrojů, přičemž zároveň umí uchopit, pochopit a vysvětlit princip fungování jinak velmi složitých přístrojů. 
• Poměrně často je možné se setkat s chybami měření, které plynou z nestálého umístění fotoaparátu/luxmetru v přístrojích. To pak vede ke značným odchylkám v měřených hodnotách. Na tuto skutečnost je nutné studenty/ky upozornit a případně s nimi konzultovat jejich odchylky.