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在我的辩护中，我无人监督：用 JMP 和我垃圾抽屉里的东西入侵水族馆 (2021-US-45MP-884)

级别：中级

 

Mike Anderson，SAS 研究所，SAS 研究所

 

一把乐高积木、一个网络摄像头、两个剃须刀刀片、一张 DVD-R 和一些双面胶带有什么共同点？好吧，如果您碰巧对水产养殖感兴趣并且有化学背景，那么他们就有制造一台像样的光谱仪的条件。如果您将 JMP 加入其中，那么您就拥有了一个系统，该系统可用于以惊人的精度检测鱼缸中是否存在有害废物副产品。加入 Mike Anderson 的冒险之旅，使用自制光谱仪和 JMP Pro 的 Functional Data Explorer 来设置和“循环”一个新的 36 加仑鱼缸，以监控该过程。

 

 

自动生成的成绩单...

 

扬声器	成绩单
迈克·安德森	大家好你们好！
	我要坦白一点。 容我们说，在大流行的早期，我很难打发时间，所以我养成了建立水族馆的爱好，并学习了如何去做。
	这很有趣。 我有更多的机会和我的女儿出去玩。 我们去了鱼店，挑选了一些漂亮的鱼。
	但是，首先，我必须为我的鱼建立一个安全的环境。 我今天想讨论的是回答这个问题，真的，“为什么我的鱼刚刚死了？”
	这可以追溯到我们去宠物店时拥有的这个古老的东西，我们买了这个漂亮的小水族箱，
	然后我们把砾石放进去，我们把水放进去，你知道，也许我们会放一些化学制品，我们设置过滤器，我们设置起泡器，我们把几条金鱼倒在那里，希望最好的。
	而且，大约三四天一切都很好，然后你有一天早上醒来，看到你孩子泪流满面，他们泪流满面，你知道你的孩子在哭，而且
	鱼死了。 然后你坐下来问的问题是，“为什么？” 你知道水箱是干净的。 我们没有喂他们太多，我们做了我们应该做的一切。 出色地，
	事实证明，在很多方面，问题可能出在鱼粪上。
	而且，你知道，不要过分关注粪便，今天我们要谈谈废物管理。 在很多方面，这正是我们今天要讨论的内容。
	我们如何处理这样一个事实，即当您喂鱼时，您知道它会从另一端出来。 我的意思是这就是它所能做的。 而且，事实证明，如果你把那些东西放在水箱里太久，它会杀死你的鱼。
	好吧，在很多情况下，这些鱼来自大自然，所以在这种情况下，大自然真的是最好的，最好的老师。
	那么，大自然是如何处理鱼粪的呢？ 我的意思是，想想这些池塘和那些东西
	在很多方面都被锁定了。 他们并没有真正有很强的流入和流出。 它们是相当静态的。 那么，他们如何处理这样一个事实，即他们一直都在里面吃鱼、上厕所……
	嗯，他们有... 在水族馆里有一个循环……在水生世界里有一个叫做“氮循环”的循环，这就是我们要在水族馆里尝试和模仿的循环。
	氮循环很容易理解。 鱼吃食物，
	和他们...
	处理它。
	而且，加工食品会变成或开始释放氨。
	还有氨，
	在自然界，
	被一种生活在水中的小细菌物种吃掉，生活在地下 - 岩石上，以及底部的所有东西......在底部的泥土中
	身体水，无论它在哪里。 那个虫子将氨转化为一种叫做亚硝酸盐的物质。
	好吧，事实证明亚硝酸盐实际上比氨更具毒性。 所以，这本身就是一个问题。 当我们在水族馆世界中这样做时，如果氨不能给您带来亚硝酸盐。
	所以，你在前两个步骤中遇到了很多麻烦。 所以，在自然界中，
	还有另一种细菌吸收亚硝酸盐，并将其转化为硝酸盐。 而且，一个字母的变化使一些非常危险的东西变成了非常非常安全的东西。
	事实证明，在这个过程中你实际上只是在给它添加额外的氧气。 这就是你真正在做的。
	但是，一旦达到硝酸盐阶段，水生环境中的植物就可以使用该硝酸盐作为食物。 他们可以用它作为肥料。
	这反过来又为鱼类或其他生物或藻类提供食物。 所有那些事情。 那些没有被水生环境消耗掉的东西。
	硝酸盐通过身体水可能有的任何出口被冲走。
	所以，大自然有一个很好的方法来设置它 - 处理，特别是处理这两种主要的，特别是致命的，可以留在水柱中的氮化合物，都是因为鱼的粪便。
	那么问题就变成了，我们如何在水族馆中处理这个问题？
	我们必须从根本上模仿水族馆中的自然。
	好吧，如果你上网。 如果你上网，在所有的讨论论坛上，或者阅读书籍或类似的东西，或者去当地的水族馆交谈，他们会谈论一种叫做生物过滤器的东西。 或者，他们会谈论一些叫做循环你的坦克的事情。
	而且，生物过滤器正在用这两种细菌填充水族箱。
	而且，一旦你得到它们，它们就能很快将氨循环成硝酸盐。 然后，如果您愿意，可以在水族箱中种植植物来处理硝酸盐或硝酸盐，或者换水或两者兼而有之。 这就是我最终处理硝酸盐的方法。
	- 这几乎没有毒性。 但是，你仍然需要控制它，因为最终我们会达到它有毒的地步。 但是，与其他两个物种相比，你有更多的时间。
	但是，我们有一点问题。 因为，为了启动整个过程——建立生物过滤器——我们需要氨的来源，而氨的自然来源是鱼粪。
	所以，要有鱼粪，你需要有鱼。 他们不只是在货架上出售鱼粪让你这样做。
	所以，问题就变成了，“我们如何处理它？”
	好吧，我们实际上把鱼从等式中完全去掉了。 因为，氨源是什么并不重要。
	而且，事实证明，我们有一种非常干净、便宜且易于使用的氯化铵形式的氨源。
	而且，事实上，水族馆里的这种东西很少。 -这东西里有小罐子。 - 那些认真地做这件事的人 - 在没有鱼的情况下完成这个过程。 它被称为“无鱼自行车”。
	我们所做的是用低剂量的氯化铵替代，
	进入水中，在生物过滤器建立时为其提供食物。 而且，一旦我们达到可以添加氯化铵的地步......
	24 小时后，系统中没有记录到氨，我们知道我们的水箱已循环。 这意味着在水箱内建立了氮循环，我们可以安全地添加鱼。
	这就是整个过程。 如果你愿意，你可以在你自己的时间看一下。 但是，为了我们正在做的事情，我们可以监控或需要监控的部分，我们需要关注的是这三个有颜色的步骤。
	第一个是我们今天要关注的。 因为这个氯化铵步骤很有趣。
	其他的只是自行发生，但请注意，建立这种生物过滤器需要将近一个月的时间。
	但我们所做的是将低剂量的氨作为食物添加到生物过滤器中。 第一种细菌生长繁殖并变得快乐。
	他们开始把东西变成亚硝酸盐。 硝酸盐物种吸收了它并开始繁殖并变得快乐，等等。 而且，在此过程的每一步中，我们都可以监控该过程。 而且，一旦你完成了，你只需更换 50% 的水并添加鱼。
	如果我们用鱼来做，这就是这个过程的样子。 我们不建议我们这样做。 但是，这就是你会看到的鱼。 你会从零氨的水箱开始，
	还有一条鱼，你喂鱼。 鱼会将食物转化为产生氨的物质。 氨水平会攀升、攀升、攀升、攀升。
	鱼很有可能会在这条路上的某个地方死亡，但最终氨含量会开始下降。
	然后亚硝酸盐含量会开始更大幅度地攀升。 最终，那些会开始下降，那时硝酸盐会开始上升。
	这就是我们想要在不涉及任何鱼的情况下模仿的东西。
	好的。 那么，我们如何监控呢？ 好吧，传统上，如果你去鱼店，他们会卖给你这个使用比色指示剂的测试套件。 它们是您添加的少量化学试剂，它们会变色。
	- 一系列颜色取决于您的测试量。 在这种情况下，它们会根据系统中的氨含量变成绿色。 紫色为亚硝酸盐。 红色到黄色和橙色代表硝酸盐。
	问题是你的眼睛真的会被愚弄。 特别是在这个低洼区域 - 样本 D、E 和 F。
	当氨浓度低或没有氨时，您的眼睛很容易被愚弄。
	你真的很想知道什么时候“没有氨”。 因此，作为一名化学家，我在大流行期间手头有很多时间，所以我决定看看是否有更好的方法来做到这一点。
	事实证明，光谱学是做到这一点的方法。 我记得我在 Gen-Chem 的日子里，我们谈论过这个叫做 Beer 定律的东西，我们稍后会详细讨论它。
	但是，让我向您介绍什么是真正快速的光谱学，因为观众可能不知道我们在说什么。
	光谱学基本上是使用光来收集有关样品的信息。
	什么是光谱仪，如果你把它归结为最简单的组件，还有非常复杂的光谱仪。 但是，当你把它们归结为它们本来的样子时，它们就是一个光源，
	然后你通过一个样本。 而且，当光穿过样品时，它会获取有关样品中成分的信息。
	然后我们让光线穿过一些缝隙。 而且，这样做的目的只是为了创造一条漂亮干净的光线。 所以，你希望你的灯非常细非常细非常高的光束，所以你有这些漂亮的线条。
	我们通过了几个准直器。 就我的光谱仪而言，事实证明，相对于光谱仪，我的光源太亮了，以至于我在这里所做的部分工作也消耗掉了额外的光。
	我的光线太多了，所以我不得不像以前一样降低强度，因为我正在努力解决这个问题。 所以，我有点失谐了我的光谱仪和几个案例。 令人惊讶的是，这不是我期望做的事情。
	但是在我们穿过两个狭缝之后，我们就来到了这个叫做衍射光栅的东西。 这就是我们现代使用的。 我们使用这些衍射光栅，它们基本上是薄膜，上面刻有非常特定间距的线条，
	通过光刻或压制工艺。 过去他们使用棱镜。 所以，如果你也有棱镜，你也可以这样做。 但是棱镜或衍射问候的要点是将光分解成其组成波长。
	然后通过。
	对于我的检测器来说，它是一个网络摄像头。
	是的，这是一个网络摄像头。
	这是左侧的几个非常非常简单的光谱仪的例子。 我们有一个棱镜，一个狭缝，还有一个光源。
	如果我们看中间的图像，在这一边，我们可以看到 - 这是白炽灯，
	当它通过狭缝时，我们可以看到它分解成所有的分量波长，这就是黑体光谱。 它拥有我们所拥有的彩虹中所有波长的光。
	如果我们看一下 CFL 灯泡之类的东西，在它的底部，我们可以看到有明显的特征，这些是水银的发射线，或者其他什么，无论什么气体被用来在灯泡中产生荧光电灯泡。
	但这就是我们正在做的事情。 我们正在用光谱仪做同样的事情。 我们要分离出来——我们要让光穿过样品，
	并分离出样品的组成波长，这样我们就可以通过观察光来了解样品中发生了什么。
	这是左边或右边的一个更漂亮的，我们有一个很好的卤素光源。
	真的很好很明亮。 它把光从一个点反射到另一个点。 这实际上是衍射分级。 这是光学质量衍射分级。
	反过来，它会被反射回来，然后被发送到检测器。 这是一个双弹跳系统。 所以就像我说的，它们变得非常非常复杂。
	我的没那么严重。
	我有乐高积木。 我有一些剃须刀片。 我有一张 DVD-R，我可以四处乱晃，我可以撬开它以从中取出衍射问候语。 我有一个破旧的网络摄像头可以使用。 所以，这就是我的想法。
	这就是它的样子。 但这里的要点是它具有所有相同的组件。 我有一个样品池。 我什至能够得到一个便宜的小试管。
	你看不到光学狭缝，因为我把它们拿出来了。 所以你可以看到系统的其余部分。 这是衍射光栅。
	DVD-R 或者您也可以从亚马逊上以非常便宜的价格买到这些。 它们就像 12 个 99 美分。 然后是背面的廉价网络摄像头。
	然后可以将该网络摄像头插入 ImageJ 之类的东西，或者可以插入可以帮助您收集光谱并整合它的东西，这样我们就可以在 JMP 中使用它，在 JMP 中使用它。
	这就是我们在这里得到的。 底部是空白的光谱示例。 在顶部，我们可以看到红色、绿色和蓝色通道的光谱。 我们也可以看到这个样本的平均通道。
	现在它起作用了，让我们转到 JMP。 足够的幻灯片！
	我之前提到过，我们谈到了比尔定律的这个想法。 并且，比尔定律基本上说，对于给定的一系列浓度，如果你有...并且，如果我们称这些浓度为“c”。
	它们将与观察到的吸光度“A”成正比。
	比例基于路径长度，因此，光必须通过的材料量。 对于与我们有关的比色皿，通常是一厘米左右。 然后是比例常数“Eta”。
	所以这基本上是一条直线。 当我获取你之前看到的连续稀释数据时 - 那些比色皿，我们正在从绿色变为黄色，
	并且，观察已知的浓度，观察它们的吸收，它们落在一条漂亮的直线上。 当这样的事情发生时，这是我们喜欢看到的。 而且，更重要的是，当我们看那条漂亮的直线时，它遵循我们期望看到的相同公式。
	这是我的专心。 那是我的比例常数。 这个数字也可能是零。 如果我们看置信区间，实际上不能说 95% 的置信区间不为零。 所以，它非常符合比尔定律。
	这很好，但它需要我做很多处理。 每个光谱，我都必须进入并提取最大吸光度。 我不得不去清理数据。 这只是一团糟，而且每一个都需要相当长的时间来完成。
	所以问题就变成了，当我有 36、37、40 个不同的频谱要处理时，我该怎么做？
	好吧，我可以很容易地通过功能数据分析来做到这一点。
	现在让我们简要谈谈我在这里使用的数据集。
	这是我的校准集，我们可以看到，随着我的注意力通过这个数据集增加，
	我们看到了光谱绿色区域的强度，这是我现在显示的全部，向上。 因此，颜色从深红色一直到明亮的浅黄色。 因此，我们看到强度随着注意力的增加而增加。 这就是比尔定律。
	现在。
	当我开始使用这个时，我必须回答的问题是哪个频道...... 我是否对整个光谱使用平均吸光度？
	还是我要选择这三个渠道中的一个来工作？
	如果我们看一下整个光谱，我们可以看到在光谱的蓝色区域有很多黄色和很多明亮饱和的颜色，这是侧面的东西，就在这里和红色区域频谱在这里。
	这往往表明这些地区正在迅速饱和。 他们没有我需要的高端动态范围……
	...能够确保我在检测器范围内获得良好的线性响应。
	所以，我最终所做的只是专注于光谱的绿色区域。 其中，您会注意到，它有一些高点和一些低点以及中间的一些东西。 它有一个很好的宽动态范围，它使用了检测器的所有动态范围。 我所说的“检测器”是指“网络摄像头”。
	另一种看待这个问题的方式——就在这里，让我们看看这些光谱。 所以，这是空白，里面什么也没有。
	而且，如果我们加入一点点氨水，一点点氨水，我们就会看到红色直接跳了起来。 我们不想要那样。 我们希望它以非常非常渐进的方式跳起来。 Wery，非常缓慢。
	我们可以更准确地看到，当我们在这里使用光谱的绿色区域时会发生这种情况。
	我们可以看到，特别是在 2 ppm 和 3 ppm 样本之间，红色在 2 ppm 时饱和，绿色在 3 ppm 时饱和。
	这很重要。 这是一个很大的不同。 你会添加很多额外的氨。 能够检测到这种差异很重要，因为这会在早期建立轨迹。
	现在，我们如何处理它，以及如何在 Functional Data Explorer 中处理它？ 好吧，我们得到了曲线。 这就说得通了。 FDE 是处理曲线的绝佳工具。
	但是，当我们使用这样的校准曲线时，我们如何提取未知物的浓度呢？
	好吧，秘密来了，那... 好吧，首先，我们按照预期设置了所有内容。
	我们对不同样本的跟踪进入 Y，波长进入 X，样本 ID 进入 ID 函数。
	我们要做的是，我们将从我们创建的比尔定律校准线的校准集中给出浓度。 我们将把它们集中起来。 这就是魔法。
	让我告诉你为什么。 好吧，我要做的是，我将首先建立我的第一个未知数作为我的目标函数。
	我为什么要那样做？ 好吧，让我在一秒钟内告诉你。 我将隐藏情节、数据处理和数据摘要。 我现在不需要那个。 我要去模特那里。 我将在这里使用 b 样条曲线。
	我再次为机械师做这件事。 当我这样做时，我会进去对功能 DOE 模型的 FDE 模型做更多的微调。
	但是，要提出的大事就在这里。 当我们查看集成误差时，它是我们的目标函数，它很低——它有一个最小值。
	而且，事实证明，该最小值是未知样品中的氨浓度。
	所以，我要做的就是找到那个最小值......
	是最大化我的愿望......
	并阅读...
	我的注意力。
	现在，不幸的是，我无法返回并在同一个 FDE 实例中建立新的目标函数。
	所以，我必须这样做，每次我想为每个功能做一次。 值得庆幸的是，我每天只做一次，所以并不乏味。 但是，如果我有更多数据，必须同时执行此操作，则需要一点时间。
	但让我们看看最终会是什么样子。
	让我们回到比尔定律。 所以，这里的蓝色数据点是校准数据集。 那些是那些...... 这些是我用来建立模型的连环错觉。
	我们可以看到未知数都符合比尔定律。 耶，科学有效！ 正确的？ 而且，更重要的是，我们看到了这个不错的动态范围，我们看到我们可以检测到一切。
	它工作得很好。
	让我们看看随着时间的推移会发生什么，因为这是一件很有趣的事情。
	因此，随着时间的推移查看数据。 我添加了一个样条线来帮助你看这个。 我们可以看到我们的注意力下降了。
	如果你退后一步并眯起眼睛（忽略那个最大值 - 我们稍后会讨论），你会看到它在后半部分遵循我们期望看到的相同曲线......
	这个的...
	氮循环中的氨曲线。
	现在，这个最大值怎么样？
	好吧，我做了一些与传统周期略有不同的事情。 其中之一是我拿走了我的过滤器，然后把它放在一个已经循环过的水箱里。 我有一个我已经有几年了。
	我把它放进那个水箱里，让过滤器里已经装满了生物过滤器。
	所以我从一个——我不会说是一个成熟的过滤器开始——但我从一个已经充满了食氨物种的过滤器开始。 所以，我的鱼缸里很快就吸收了很多亚硝酸盐。
	而且，它已经到了使探测器饱和的地步。 我无法检测到变化。
	所以，这就是我换水的地方。 通常你不是……你不需要在这个过程的中间换水。 但是，我在这里换了水，这样我就可以将亚硝酸盐含量降低到可以再次测量的水平。
	不幸的是，我这样做的过程也扰乱了吃氨的细菌。 我失去了一些......一些那个殖民地，我不得不等待它回来完成这个周期。
	所以，你所看到的是我在我的系统成熟并准备好处理那种......
	侵入性手术。
	但是，再次强调，当我们达到零时，我们到达了这里的底部，我做了另一个版本的氨，
	等了24小时，再测。 我又零了。 检查了我的亚硝酸盐，亚硝酸盐为零。 检查了我的硝酸盐。 他们穿过屋顶，就像我期待的那样。 并换了水。 我去了鱼店。我们准备好了。
	首先，如果你打算开一个水族馆，PS.. 公共服务声明... 公益广告。
	不要忘记先循环水族箱。 人们声称有一些粘液小瓶……旁边写着“没有循环水族箱，可以立即添加鱼。”
	别相信。 绕远路。 你的鱼会更快乐。 他们会……他们会活得更久。 而且，您将获得更愉快的体验。
	所以，不要忘记在添加鱼时循环水族箱。
	第二点——乐高积木不只是用来在客厅里制造雷区的。 您可以使用它们进行真正的科学研究，就像我们在这里看到的那样。 我用乐高积木、网络摄像头和 DVD 搭建了一个光谱仪。 而且，它有效。
	第三步，或第三点是，永远不要让工程师长时间无人看管。 你永远不知道你回家会做什么。
	谢谢，祝您水族馆玩得开心。

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