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在我的辯護中，我無人監督：用 JMP 和我垃圾抽屜裡的東西入侵水族館 (2021-US-45MP-884)

級別：中級

 

Mike Anderson，SAS 研究所，SAS 研究所

 

一把樂高積木、一個網絡攝像頭、兩個剃須刀刀片、一張 DVD-R 和一些雙面膠帶有什麼共同點？好吧，如果您碰巧對水產養殖感興趣並且有化學背景，那麼他們就有製造一台像樣的光譜儀的條件。如果您將 JMP 加入其中，那麼您就擁有了一個系統，該系統可用於以驚人的精度檢測魚缸中是否存在有害廢物副產品。加入 Mike Anderson 的冒險之旅，使用自製光譜儀和 JMP Pro 的 Functional Data Explorer 來設置和“循環”一個新的 36 加侖魚缸，以監控該過程。

 

 

自動生成的成績單...

 

揚聲器	成績單
邁克·安德森	大家好你們好！
	我要坦白一點。 可以說，在大流行初期，我很難打發時間，所以我養成了建立水族館的愛好，並學習瞭如何去做。
	這很有趣。 我有更多的機會和我的女兒出去玩。 我們去了魚店，挑選了一些漂亮的魚。
	但是，首先，我必須為我的魚建立一個安全的環境。 我今天想討論的是回答這個問題，真的，“為什麼我的魚剛剛死了？”
	這可以追溯到我們去寵物店時擁有的這個古老的東西，我們買了這個漂亮的小水族箱，
	然後我們把礫石放進去，我們把水放進去，你知道，也許我們會放一些化學製品，我們設置過濾器，我們設置起泡器，我們把幾條金魚倒在那裡，希望最好的。
	而且，大約三四天一切都很好，然後你有一天早上醒來，看到你孩子的眼睛裡充滿了淚水，他們的眼睛裡充滿了淚水，你知道你的孩子在哭，而且
	魚死了。 然後你坐下來問的問題是，“為什麼？” 你知道水箱是乾淨的。 我們沒有餵他們太多，我們做了我們應該做的一切。 出色地，
	事實證明，在很多方面，問題可能出在魚糞上。
	而且，你知道，不要過分關注糞便，今天我們要談談廢物管理。 在很多方面，這正是我們今天要討論的內容。
	我們如何處理這樣一個事實，即當您餵魚時，您知道它會從另一端出來。 我的意思是這就是它所能做的。 而且，事實證明，如果你把那些東西放在水箱裡太久，它會殺死你的魚。
	好吧，在很多情況下，這些魚來自大自然，所以在這種情況下，大自然真的是最好的，最好的老師。
	那麼，大自然是如何處理魚糞的呢？ 我的意思是，想想這些池塘和那些東西
	在很多方面都被鎖定了。 他們並沒有真正有很強的流入和流出。 它們是相當靜態的。 那麼，他們如何處理這樣一個事實，即他們一直都在裡面吃魚、上廁所……
	嗯，他們有... 在水族館裡有一個循環……在水生世界裡有一個叫做“氮循環”的循環，這就是我們要在水族館裡嘗試和模仿的循環。
	氮循環很容易理解。 魚吃食物，
	和他們...
	處理它。
	而且，加工食品會變成或開始釋放氨。
	還有氨，
	在自然界，
	被一種生活在水中的小細菌物種吃掉，生活在地下 - 岩石上，以及底部的所有東西......在底部的泥土中
	身體水，無論它在哪裡。 那個蟲子將氨轉化為一種叫做亞硝酸鹽的物質。
	好吧，事實證明亞硝酸鹽實際上比氨更具毒性。 所以，這本身就是一個問題。 當我們在水族館世界中這樣做時，如果氨不能給您帶來亞硝酸鹽。
	所以，你在前兩個步驟中遇到了很多麻煩。 所以，在自然界中，
	還有另一種細菌吸收亞硝酸鹽，並將其轉化為硝酸鹽。 而且，一個字母的變化使一些非常危險的東西變成了非常非常安全的東西。
	事實證明，在這個過程中你實際上只是在給它添加額外的氧氣。 這就是你真正在做的。
	但是，一旦達到硝酸鹽階段，水生環境中的植物就可以使用該硝酸鹽作為食物。 他們可以用它作為肥料。
	這反過來又為魚類或其他生物或藻類提供食物。 所有那些事情。 那些沒有被水生環境消耗掉的東西。
	硝酸鹽通過身體水可能有的任何出口被沖走。
	所以，大自然有一個很好的方法來設置它 - 處理，特別是處理這兩種主要的，特別是致命的，可以留在水柱中的氮化合物，都是因為魚的糞便。
	那麼問題就變成了，我們如何在水族館中處理這個問題？
	我們必須從根本上模仿水族館中的自然。
	好吧，如果你上網。 如果你上網，在所有的討論論壇上，或者閱讀書籍或類似的東西，或者去當地的水族館交談，他們會談論一種叫做生物過濾器的東西。 或者，他們會談論一些叫做循環你的坦克的事情。
	而且，生物過濾器正在用這兩種細菌填充水族箱。
	而且，一旦你得到它們，它們就能很快將氨循環成硝酸鹽。 然後，如果你願意，你可以在你的水族箱裡放些植物來處理硝酸鹽或硝酸鹽，或者你換水或兩者兼而有之。 這就是我最終處理硝酸鹽的方法。
	- 這幾乎沒有毒性。 但是，你仍然需要控制它，因為最終我們會達到它有毒的地步。 但是，與其他兩個物種相比，你有更多的時間。
	但是，我們有一點問題。 因為，為了啟動整個過程——建立生物過濾器——我們需要氨的來源，而氨的自然來源是魚糞。
	所以，要有魚糞，你需要有魚。 他們不只是在貨架上出售魚糞讓你這樣做。
	所以，問題就變成了，“我們如何處理它？”
	好吧，我們實際上把魚從等式中完全去掉了。 因為，氨源是什麼並不重要。
	而且，事實證明，我們有一種非常乾淨、便宜且易於使用的氯化銨形式的氨源。
	而且，事實上，水族館裡的這種東西很少。 -這東西里有小罐子。 - 那些認真地做這件事的人 - 在沒有魚的情況下完成這個過程。 它被稱為“無魚自行車”。
	我們所做的是用低劑量的氯化銨替代，
	進入水中，在生物過濾器建立時為其提供食物。 而且，一旦我們達到可以添加氯化銨的地步......
	24 小時後，系統中沒有記錄到氨，我們知道我們的水箱已循環。 這意味著在水箱內建立了氮循環，我們可以安全地添加魚。
	這就是整個過程。 如果你願意，你可以在你自己的時間看一下。 但是，為了我們正在做的事情，我們可以監控或需要監控的部分，我們需要關注的是這三個有顏色的步驟。
	第一個是我們今天要關注的。 因為這個氯化銨步驟很有趣。
	其他的只是自行發生，但請注意，建立這種生物過濾器需要將近一個月的時間。
	但我們所做的是將低劑量的氨作為食物添加到生物過濾器中。 第一種細菌生長繁殖並變得快樂。
	他們開始把東西變成亞硝酸鹽。 硝酸鹽物種吸收了它並開始繁殖並變得快樂，等等。 而且，在此過程的每一步中，我們都可以監控該過程。 而且，一旦你完成了，你只需更換 50% 的水並添加魚。
	如果我們用魚來做，這就是這個過程的樣子。 我們不建議我們這樣做。 但是，這就是你會看到的魚。 你會從零氨的水箱開始，
	還有一條魚，你餵魚。 魚會將食物轉化為產生氨的物質。 氨水平會攀升、攀升、攀升、攀升。
	魚很有可能會在這條路上的某個地方死亡，但最終氨含量會開始下降。
	然後亞硝酸鹽含量會開始更大幅度地攀升。 最終，那些會開始下降，那時硝酸鹽會開始上升。
	這就是我們想要在不涉及任何魚的情況下模仿的東西。
	好的。 那麼，我們如何監控呢？ 好吧，傳統上，如果你去魚店，他們會賣給你這個使用比色指示劑的測試套件。 它們是您添加的少量化學試劑，它們會變色。
	- 一系列顏色取決於您的測試量。 在這種情況下，它們會根據系統中的氨含量變成綠色。 紫色為亞硝酸鹽。 紅色到黃色和橙色代表硝酸鹽。
	問題是你的眼睛真的會被愚弄。 特別是在這個低窪區域 - 樣品 D、E 和 F。
	當氨濃度低或沒有氨時，您的眼睛很容易被愚弄。
	你真的很想知道什麼時候“沒有氨”。 因此，作為一名化學家，我在大流行期間手頭有很多時間，所以我決定看看是否有更好的方法來做到這一點。
	事實證明，光譜學是做到這一點的方法。 我記得我在 Gen-Chem 的日子裡，我們談論過這個叫做 Beer 定律的東西，我們稍後會詳細討論它。
	但是，讓我向您介紹什麼是真正快速的光譜學，因為觀眾可能不知道我們在說什麼。
	光譜學基本上是使用光來收集有關樣品的信息。
	什麼是光譜儀，如果你把它歸結為最簡單的組件，還有非常複雜的光譜儀。 但是，當你把它們歸結為它們本來的樣子時，它們就是一個光源，
	然後你通過一個樣本。 而且，當光穿過樣品時，它會獲取有關樣品中成分的信息。
	然後我們讓光線穿過一些縫隙。 而且，這樣做的目的只是為了創造一條漂亮乾淨的光線。 所以，你希望你的燈非常細非常細非常高的光束，所以你有這些漂亮的線條。
	我們通過了幾個准直器。 就我的光譜儀而言，事實證明，相對於光譜儀，我的光源太亮了，以至於我在這裡所做的部分工作也消耗掉了額外的光。
	我的光線太多了，所以我不得不像以前一樣降低強度，因為我正在努力解決這個問題。 所以，我有點失諧了我的光譜儀和幾個案例。 令人驚訝的是，這不是我期望做的事情。
	但是在我們穿過兩個狹縫之後，我們就來到了這個叫做衍射光柵的東西。 這就是我們現代使用的。 我們使用這些衍射光柵，它們基本上是薄膜，上面刻有非常特定間距的線條，
	通過光刻或壓制工藝。 過去他們使用棱鏡。 所以，如果你也有棱鏡，你也可以這樣做。 但是棱鏡或衍射問候的要點是將光分解成其組成波長。
	然後通過。
	對於我的檢測器來說，它是一個網絡攝像頭。
	是的，這是一個網絡攝像頭。
	這是左側的幾個非常非常簡單的光譜儀的例子。 我們有一個棱鏡，一個狹縫，還有一個光源。
	如果我們看中間的圖像，在這一邊，我們可以看到 - 這是白熾燈，
	當它通過狹縫時，我們可以看到它分解成所有的分量波長，這就是黑體光譜。 它擁有我們所擁有的彩虹中所有波長的光。
	如果我們看一下 CFL 燈泡之類的東西，在它的底部，我們可以看到有明顯的特徵，這些是水銀的發射線，或者其他什麼，無論什麼氣體被用來在燈泡中產生熒光電燈泡。
	但這就是我們正在做的事情。 我們正在用光譜儀做同樣的事情。 我們要分離出來——我們要讓光穿過樣品，
	並分離出樣品的組成波長，這樣我們就可以通過觀察光來了解樣品中發生了什麼。
	這是左邊或右邊的一個更漂亮的，我們有一個很好的滷素光源。
	真的很好很明亮。 它把光從一個點反射到另一個點。 這實際上是衍射分級。 這是光學質量衍射分級。
	反過來，它會被反射回來，然後被發送到檢測器。 這是一個雙彈跳系統。 所以就像我說的，它們變得非常非常複雜。
	我的沒那麼嚴重。
	我有樂高積木。 我有一些剃須刀片。 我有一張 DVD-R，我可以四處亂晃，我可以撬開它以從中取出衍射問候語。 我有一個破舊的網絡攝像頭可以使用。 所以，這就是我的想法。
	這就是它的樣子。 但這裡的要點是它具有所有相同的組件。 我有一個樣品池。 我什至能夠得到一個便宜的小試管。
	你看不到光學狹縫，因為我把它們拿出來了。 所以你可以看到系統的其餘部分。 這是衍射光柵。
	DVD-R 或者您也可以從亞馬遜上以非常便宜的價格買到這些。 他們就像 99 美分買 12 個之類的東西。 然後是背面的廉價網絡攝像頭。
	然後可以將該網絡攝像頭插入 ImageJ 之類的東西，或者可以插入可以幫助您收集光譜並整合它的東西，這樣我們就可以在 JMP 中使用它，在 JMP 中使用它。
	這就是我們在這裡得到的。 底部是空白的光譜示例。 在頂部，我們可以看到紅色、綠色和藍色通道的光譜。 我們也可以看到這個樣本的平均通道。
	現在它起作用了，讓我們轉到 JMP。 足夠的 PowerPoint！
	我之前提到過，我們談到了比爾定律的這個想法。 並且，比爾定律基本上說，對於給定的一系列濃度，如果你有...並且，如果我們稱這些濃度為“c”。
	它們將與觀察到的吸光度“A”成正比。
	比例基於路徑長度，因此，光必須通過的材料量。 對於與我們有關的比色皿，通常是一厘米左右。 然後是比例常數“Eta”。
	所以這基本上是一條直線。 當我獲取你之前看到的連續稀釋數據時 - 那些比色皿，我們正在從綠色變為黃色，
	並且，觀察已知的濃度，觀察它們的吸收，它們落在一條漂亮的直線上。 當這樣的事情發生時，這是我們喜歡看到的。 而且，更重要的是，當我們看那條漂亮的直線時，它遵循我們期望看到的相同公式。
	這是我的專心。 那是我的比例常數。 這個數字也可能是零。 如果我們看置信區間，實際上不能說 95% 的置信區間不為零。 所以，它非常符合比爾定律。
	這很好，但它需要我做很多處理。 每個光譜，我都必須進入並提取最大吸光度。 我不得不去清理數據。 這只是一團糟，而且每一個都需要相當長的時間來完成。
	所以問題就變成了，當我有 36、37、40 個不同的頻譜要處理時，我該怎麼做？
	好吧，我可以很容易地通過功能數據分析來做到這一點。
	現在讓我們簡要談談我在這裡使用的數據集。
	這是我的校準集，我們可以看到，隨著我的注意力通過這個數據集增加，
	我們看到了光譜綠色區域的強度，這是我現在顯示的全部，向上。 因此，顏色從深紅色一直到明亮的淺黃色。 因此，我們看到強度隨著注意力的增加而增加。 這就是比爾定律。
	現在。
	當我開始使用這個時，我必須回答的問題是哪個頻道...... 我是否對整個光譜使用平均吸光度？
	還是我要選擇這三個渠道中的一個來工作？
	如果我們看一下整個光譜，我們可以看到在光譜的藍色區域有很多黃色和很多明亮飽和的顏色，這是側面的東西，就在這里和紅色區域頻譜在這裡。
	這往往表明這些地區正在迅速飽和。 他們沒有我需要的高端動態範圍……
	...能夠確保我在檢測器範圍內獲得良好的線性響應。
	所以，我最終所做的只是專注於光譜的綠色區域。 其中，您會注意到，它有一些高點和一些低點以及中間的一些東西。 它有一個很好的寬動態範圍，它使用了檢測器的所有動態範圍。 我所說的“檢測器”是指“網絡攝像頭”。
	另一種看待這個問題的方式——就在這裡，讓我們看看這些光譜。 所以，這是空白，裡面什麼也沒有。
	而且，如果我們加入一點點氨水，一點點氨水，我們就會看到紅色直接跳了起來。 我們不想要那樣。 我們希望它以非常非常漸進的方式跳起來。 Wery，非常緩慢。
	我們可以更準確地看到，當我們在這裡使用光譜的綠色區域時會發生這種情況。
	我們可以看到，特別是在 2 ppm 和 3 ppm 樣本之間，紅色在 2 ppm 時飽和，綠色在 3 ppm 時飽和。
	這很重要。 這是一個很大的不同。 你會添加很多額外的氨。 能夠檢測到這種差異很重要，因為這會在早期建立軌跡。
	現在，我們如何處理它，以及如何在 Functional Data Explorer 中處理它？ 好吧，我們得到了曲線。 這就說得通了。 FDE 是處理曲線的絕佳工具。
	但是，當我們使用這樣的校準曲線時，我們如何提取未知物的濃度呢？
	好吧，秘密來了，那... 好吧，首先，我們按照預期設置了所有內容。
	我們對不同樣本的跟踪進入 Y，波長進入 X，樣本 ID 進入 ID 函數。
	我們要做的是，我們將從校準集中，從我們創建的比爾定律校準線中給出濃度。 我們將把它們集中起來。 這就是魔法。
	讓我告訴你為什麼。 好吧，我要做的是，我將首先建立我的第一個未知數作為我的目標函數。
	我為什麼要那樣做？ 好吧，讓我在一秒鐘內告訴你。 我將隱藏情節、數據處理和數據摘要。 我現在不需要那個。 我要去模特那裡。 我將在這裡使用 b 樣條曲線。
	我再次為機械師做這件事。 當我這樣做時，我會進去對功能 DOE 模型的 FDE 模型做更多的微調。
	但是，要提出的大事就在這裡。 當我們查看集成誤差時，它是我們的目標函數，它很低——它有一個最小值。
	而且，事實證明，該最小值是未知樣品中的氨濃度。
	所以，我要做的就是找到那個最小值......
	是最大化我的願望......
	並閱讀...
	我的注意力。
	現在，不幸的是，我無法返回並在同一個 FDE 實例中建立新的目標函數。
	所以，我必須這樣做，每次我想為每個功能做一次。 值得慶幸的是，我每天只做一次，所以並不乏味。 但是，如果我有更多數據，必須同時執行此操作，則需要一點時間。
	但讓我們看看最終會是什麼樣子。
	讓我們回到比爾定律。 所以，這裡的藍色數據點是校準數據集。 那些是那些...... 這些是我用來建立模型的連環錯覺。
	我們可以看到未知數都符合比爾定律。 耶，科學有效！ 正確的？ 而且，更重要的是，我們看到了這個不錯的動態範圍，我們看到我們可以檢測到一切。
	它工作得很好。
	讓我們看看隨著時間的推移會發生什麼，因為這是一件很有趣的事情。
	因此，隨著時間的推移查看數據。 我添加了一個樣條線來幫助你看這個。 我們可以看到我們的注意力下降了。
	如果你退後一步並瞇起眼睛（忽略那個最大值 - 我們稍後會討論），你會看到它在後半部分遵循我們期望看到的相同曲線......
	這個的...
	氮循環中的氨曲線。
	現在，這個最大值怎麼樣？
	好吧，我做了一些與傳統週期略有不同的事情。 其中之一是我拿走了我的過濾器，然後把它放在一個已經循環過的水箱裡。 我有一個我已經有幾年了。
	我把它放進那個水箱裡，讓過濾器裡已經裝滿了生物過濾器。
	所以我從一個——我不會說是一個成熟的過濾器開始——但我從一個已經充滿了食氨物種的過濾器開始。 所以，我的魚缸裡很快就吸收了很多亞硝酸鹽。
	而且，它已經到了使探測器飽和的地步。 我無法檢測到變化。
	所以，這就是我換水的地方。 通常你不是……你不需要在這個過程的中間換水。 但是，我在這裡換了水，這樣我就可以將亞硝酸鹽含量降低到可以再次測量的水平。
	不幸的是，我這樣做的過程也擾亂了吃氨的細菌。 我失去了一些......一些那個殖民地，我不得不等待它回來完成這個週期。
	所以，你所看到的是我在我的系統成熟並準備好處理那種......
	侵入性手術。
	但是，再次強調，當我們達到零時，我們到達了這裡的底部，我做了另一個版本的氨，
	等了24小時，再測。 我又零了。 檢查了我的亞硝酸鹽，亞硝酸鹽為零。 檢查了我的硝酸鹽。 他們穿過屋頂，就像我期待的那樣。 並換了水。 我去了魚店。我們準備好了。
	首先，如果你打算開一個水族館，PS.. 公共服務聲明... 公益廣告。
	不要忘記先循環水族箱。 人們聲稱有一些粘液小瓶……旁邊寫著“沒有循環水族箱，可以立即添加魚。”
	別相信。 繞遠路。 你的魚會更快樂。 他們會……他們會活得更久。 而且，您將獲得更愉快的體驗。
	所以，不要忘記在添加魚時循環水族箱。
	第二點——樂高積木不只是用來在客廳裡製造雷區的。 您可以使用它們進行真正的科學研究，就像我們在這裡看到的那樣。 我用樂高積木、網絡攝像頭和 DVD 搭建了一個光譜儀。 而且，它有效。
	第三步，或第三點是，永遠不要讓工程師長時間無人看管。 你永遠不知道你回家會做什麼。
	謝謝，祝您水族館玩得開心。

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