ספקטרוסקופיה בכף היד?

הפרופסור לכימיה Alexander Scheeline מאוניברסיטת אילינוי מעוניין לראות את תלמידי התיכון משתמשים בטלפון הנייד שלהם בכיתות. לא בשביל לשלוח מסרונים או לגלוש באינטרנט חלילה, אלא כמכשיר אנליטי כימי

הפרופסור לכימיה Alexander Scheeline מאוניברסיטת אילינוי מעוניין לראות את תלמידי התיכון משתמשים בטלפון הנייד שלהם בכיתות. לא בשביל לשלוח מסרונים או לגלוש באינטרנט חלילה, אלא כמכשיר אנליטי כימי.

הפרופסור פיתח שיטה להכנת ספקטרומטר, מכשיר כימי בסיסי וחשוב, מאמצעים זולים ובסיסיים וממצלמה דיגיטאלית. ספקטרופוטומטריה (הערך בוויקיפדיה, Spectrophotometry) הינה אחד מהאמצעים הנפוצים ביותר לזיהוי וכימות חומרים שונים הן במדעי הפיסיקה והן במדעי הביולוגיה והכימיה. “אם אנו רוצים למדוד את כמות החלבון בבשר, או כמות המים בדגנים, או הברזל בדם, אנו עושים זאת באמצעות ספקטרופוטומטריה,” מסביר החוקר.

לבתי-ספר רבים יש תקציב מוגבל לקניית ציוד ואספקה, כך שמכשירי ספקטרומטרים הופכים ליקרים מדי עבור כיתות מדעים בתיכון. אפילו כאשר המכשיר זמין, התלמידים מתקשים להבין את עקרונות הכימיה האנליטית שבבסיסו מכיוון שרובם מהווים תיבות סגורות – התלמידים פשוטים מכניסים למכשיר את הדגימות המתאימות ומקבלים כפלט ערכים מספריים, וזאת מבלי לתת דעתם לגביי התהליך הכימי המופעל. “מדע משמעו הניצול של החושים שלך בכדי להבין דברים – פשוט שהטכנולוגיה כיום כה מתקדמת כך שהכל עלום עבורנו,” אמר החוקר. “התלמיד מקבל את הרושם כי המדידה היא משהו המתרחש בתוך קופסא שאינה נגישה ואינה מובנת לו – ומצויה בתחום הבנתו של מהנדס מומחה בלבד,” מוסיף החוקר הראשי. “זה לא מה שאנו מעוניינים שהם ילמדו – בכדי שהרעיון המדעי יובן כהלכה הם צריכים לבנות את המכשיר בעצמם.”

לאור זאת, ביקש החוקר לבנות ספקטרומטר בסיסי שיהיה לא רק פשוט וזול אלא גם שקוף כך שהתלמידים יוכלו לראות את פעולתו הממשית ולשחק עם הרכיבים שבו, פעילות שתעודד את כישורי החשיבה ופתרון הבעיות של התלמידים. המכשיר גם לא חייב להיות ההתקן המדויק או הרגיש ביותר – למעשה, מקווה החוקר, שדווקא הליקויים הברורים שבהתקן יעודדו את התלמידים להבין את פעילותו ומגבלותיו של המכשיר.

במכשיר ספקטרומטר, אור לבן עובר דרך תמיסת דגימה. התמיסה סופגת אורכי-גל מסוימים של אור לבן זה. לאחר-מכן, סריג השתברות מפצל את האור לספקטרום הצבעים שבו כמו במנסרה (או קשת בענן). ניתוח הספקטרום המתקבל מאפשר לכימאים ללמוד על תכונות הדגימה.

כמקור האור, החוקר השתמש בדיודה פולטת אור יחידה (LED) המופעלת ע”י סוללת 3 וולטים, כזו המשמשת בשלטים לפתיחת רכב. סריגי ההשתברות והשפופרות שבהן נתונות התמיסות, ניתנים לקנייה מחברות מדעיות מתאימות עבור מספר סנטים בודדים. המערכת בכללותה עולה פחות משלושה דולרים. הרכיב הבעייתי במערכת הינו חיישן האור, הפוטו-חיישן, הלוכד את הספקטרום העובר ניתוח לאחר-מכן.

“לפתע עלה במוחי הרעיון המבריק מאיפה ניתן להשיגו: פוטו-חיישן המצוי היום אצל כולם! כמעט לכולם יש טלפון נייד, וכמעט בכל הטלפונים הללו יש מצלמה דיגיטאלית,” מסביר החוקר. “הבנתי כי אם ניתן להעביר את התמונה לתוך מחשב, הרי שכל מה שמפריד בינך לבין בניית ספקטרופוטומטר זול הינו התוכנה.” לשם כך, החוקרים כתבו תוכנה המנתחת את הספקטרא האצור בקבצי תמונות מסוג JPEG והפיץ אותה חינם ברשת, יחד עם צופן המקור שלה והוראות לבניית ספקטרומטר מבוסס-טלפון סלולארי והשימוש בו.

החוקר השתמש במערכת החדשנית שלו במספר כיתות לימוד, והתלמידים, הגם שהיו חסרי ניסיון מכשורי כלשהו, קיבלו את המכשיר בהתלהבות. התלמידים גם גילו התעניינות גוברת והולכת במושגים השונים של המערכת כמו מידת רגישות החיישן לאור שבחדר והשפעתה על היכולת לנתח את הספקטרום. פרטי בניית הספקטרופוטומטר והשימוש בו פורסמו במאמר בכתב-העת המדעי Applied Spectroscopy. החוקר מקווה כי פרסום פומבי של התוכנה, המערכת ורכיביה יגרום למפתחים אחרים לשכלל ולשדרג עוד יותר את יכולותיו של המכשיר הזה.

“הפוטנציאל טמון בעובדה כי ניתן להפוך את התחום של כימיה אנליטית לתחום נפוץ ולא לנושא שבו מתעניינים רק מדענים,” מסביר החוקר.

הידיעה על המחקר