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Diseño y Construccion de un Espectrofotmetro para Analisis de Fluoerescencia UV-VIS

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Diseño y Construccion de un Espectrofotmetro para Analisis de Fluoerescencia UV-VIS

  1. 1. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN ESPECTROFOTOMETRO PARA ANALISIS DE FLUOERESCENCIA UV-VISIBLE Escudero Rodríguez, Ricardo Rolando Proyecto de Tesis UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Julio 2015 1
  2. 2. ÍNDICE Introducción Fundamento teórico Procedimiento experimental DISCUSION Conclusión Trabajo a futuro 2
  3. 3. INTRODUCCIÓN Objetivo Obtener nanopartículas de ferrita por la técnica de molienda mecánica Un espectrofotómetro de fluorescencia, también conocido como un fluorímetro, es un instrumento científico usado para determinar el espectro de fluorescencia resuelta en una longitud de onda de una muestra. A continuación se analiza este espectro para identificar los componentes de una muestra. Un espectrofotómetro de fluorescencia principalmente se usa en los laboratorios químicos, bioquímicos, médicos y para ayudar en el análisis de compuestos orgánicos. La espectroscopia de fluorescencia es el estudio de la fluorescencia de una muestra. Cuando ciertos compuestos interactúan con luz ultravioleta y reemiten una radiación principalmente en el rango visible. La fluorescencia resultante contiene diferentes longitudes de onda y, por tanto, observando sus espectros de emisión y excitación puede ser utilizado para ayudar a identificar los elementos dentro del compuesto. Un espectrofotómetro de fluorescencia contiene frecuentemente, un monocromador con una rejilla de difracción o un filtro que actúa como una rejilla de difracción. Siendo el monocromador un elemento que permite al usuario escoger una longitud de onda específica para analizar, estudiar o medir. El espectrofotómetro de fluorescencia requiere una fuente de luz principalmente monocromática. Por ello es la importancia de conocer el diseño y funcionamiento de un espectrofotómetro ya que es un elemento principal de estos equipos de medición de fluorescencia.
  4. 4. OBJETIVOS • Estudiar y entender el funcionamiento de los elementos ópticos de un espectrómetro, monocromador y espectrofotómetro. • Comprender el efecto de las aberraciones ópticas en el funcionamiento de un espectrómetro. • Encontrar las características geométricas para optimizar la resolución de un espectrofotómetro. • Basados en la geometría optima proponer un sistema opto mecánico adecuado para el modelo planteado.
  5. 5. FUNDAMENTO TEÓRICO 5
  6. 6. Funcionamiento de un espectrofotómetro 6 1. Entrada de fibra óptica 2. Rendija de entrada 3. Filtro 4. Espejo colimador 5. Rejilla de difracción 6. Espejo de enfoque 7. Sensor lineal CCD
  7. 7. sinα + sinβ = 10−6 nkλ REJILLA DE DIFRACCION 10−6nkλ = 2 sin β + α 2 cos β − α 2 𝐷 𝑎 = 𝜕𝛽 𝜕𝜆 = 10−6 𝑘𝑛 𝑐𝑜𝑠𝛽 DISPERSION ANGULAR 𝐷𝐿 = 𝜕𝜆 𝜕𝑥 = 𝑐𝑜𝑠𝛽 106 𝑘𝑛𝐿 𝐵 DISPERSION LINEAL 𝑅 = 𝜆 ∆𝜆 PODER DE RESOLUCION 𝑅 = 𝑘𝑛𝑊𝑔 = 𝑘𝑁 ECUACION BASICA BLAZING CONDICION DE LITTROW 𝑤 = 𝛼 = 𝛽 2 sin 𝑤 = 𝑘𝑛𝜆 𝐵
  8. 8. REJILLA DE DIFRACCION PERFILES DE EFICIENCIA Curva de eficiencia de una rejilla de difracción holográfica sin blazing. Curva de eficiencia de una rejilla de difracción con Blazing estándar. LUZ PARASITA EN REJILLAS DE DIFRACCION LUZ DISPERSADA GHOSTS
  9. 9. 9 Monocromador: Instrumento que proporciona la emisión de una banda estrecha del espectro de luz que sale por una rendija. Espectrofotómetro: es un instrumento espectroscópico que registra espectros de absorción, transmitancia y/o reflexión de una muestra en estudio. INSTRUMENTOS DE MEDICION DE ESPECTROS
  10. 10. 10 INSTRUMENTOS DE MEDICION DE ESPECTROS Espectrómetro: es un instrumento que registra el espectro con un detector de luz (CCD, fotodiodo). Espectrógrafo: es un instrumento que registra el espectro fotográficamente. Espectroscopio: es un instrumento con el que se puede visualizar el espectro con el ojo humano.
  11. 11. 11 MONOCROMADORES Y ESPECTROMETROS (Configuraciones básicas) Configuracion Ebert-Fastie Configuracion Littrow Configuración Czerny-Turner normal Configuración Czerny-Turner cruzado
  12. 12. PARAMETROS OPTICOS SISTEMA OPTICO DE UN MONOCROMADOR AS : Tope de la abertura L1 : Lente 1. M1 : Espejo 1. M2 : Espejo 2. G1 : Rejilla de difracción. p : Distancia del objeto a la lente L1. q : Distancia de la imagen desde la lente L1. F : Focal de la lente L1. d : Apertura limpia de la lente L1 en el diagrama. Ω : Angulo de campo medio. S : Área de la fuente. S′ : Área de la imagen de la fuente.
  13. 13. 13 PARAMETROS OPTICOS APERTURA NUMERICA (AN) AN = n sin θ θ = 2 arctan D 2f F-NÚMERO (f/#) 𝑓/# = 1 2 AN Comparación de f/32 (esquina inferior derecha) y f/5 (esquina superior izquierda) D : diámetro del espejo colimador de la configuración Czerny-Turner. f: distancia focal del espejo colimador de la configuración Czerny-Turner.
  14. 14. 14 PARAMETROS OPTICOS f/# DE UN ESPECTROMETRO Proyección del ancho de la rejilla de difracción a) en la entrada b) en la salida f/# entrada = LA/D′ f/# salida = LB/D′′ D′ = 2 WgHg cos α π = 2 W′gHg π D′′ = 2 WgHg cos 𝛽 π = 2 W′′gHg π w′ g = wg cos 𝛼 = 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑗𝑖𝑙𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑗𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 w′′g = wg cos 𝛼 = 𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑗𝑖𝑙𝑙𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑗𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
  15. 15. 15 ABERRACIONES OPTICAS Son los defectos de un sistema óptico, estas producen distorsiones en las imágenes que empobrecen su calidad. ABERRACIONES MONOCROMATICAS COMBINACION DE ABERRACIONES ABERRACIONES ESFERICAS ASTIGMATISMO COMA DISTORSION CURVATURA DE CAMPO ABERRACIONES CROMATICAS ABERRACION CROMATICA AXIAL ABERRACION CROMATICA LATERAL ESFEROCROMATISMO
  16. 16. 16 ABERRACIONES CROMATICAS Tiene como origen la dependencia del índice de refracción con la longitud de onda de la luz incidente 𝜆: n (𝜆), como consecuencia el foco y los aumentos dependen de 𝜆. Su efecto es que cualquier lente simple se comporta como un prisma descomponiendo la luz en sus colores primario y formando un pequeño espectro alrededor del foco de la lente.
  17. 17. 17 ABERRACIONES MONOCROMATICAS Las aberraciones monocromáticas más importantes son las que se deben al segundo término del desarrollo de Taylor del seno y se denominan aberraciones de tercer orden o de Seidel. En esta sección revisaremos las aberraciones mas importantes en espectrómetros y monocromadores ABERRACION ESFERICA La diferencia de camino óptico debido a aberraciones esféricas varía con la cuarta potencia de la apertura numérica y no pude ser corregida sin el uso de ópticas asféricas
  18. 18. 18 COMA Efecto de la coma en el perfil Se llama así porque la forma de la imagen de un punto es similar a un cometa. La coma suele ser el resultado de la geometría fuera de eje de una rejilla de difracción plana y se muestra como un sesgado de rayos en el plano de dispersión alargando la base de un lado de la línea espectral.
  19. 19. 19 ASTIGMATISMO Cuando los rayos que entran por uno u otro plano focalizan en distintos puntos, es decir, el foco tangencial y el sagital son distintos El astigmatismo tiene el efecto de tomar un punto de la rendija de entrada y proyectarla como una línea perpendicular al plano de dispersión en la salida
  20. 20. 20 CRITERIOS DE ELECCION DE UN ESPECTROMETRO O UN MONOCROMADOR Primer criterio: La dispersión lineal, la resolución y el bandpass/rango espectral. Segundo criterio: La precisión y velocidad, en un monocromador la velocidad queda determinada por el motor a pasos o sistema mecánico de control que controla la rejilla de difracción y/o detector, mientras que en el espectrómetro la precisión quedara determinada por el sensor utilizado (usualmente CCD o CMOS) y su electrónica. Tercer criterio: Rendimiento y calidad de la imagen. El rendimiento óptico del espectrómetro o monocromador se determina por la apertura numérica y su dispersión lineal. Cuarto criterio: Luz parasita, diseño y longitud focal. La luz parasita puede ser controlada de acuerdo a la calidad óptica del instrumento y las trampas ópticas que contenga el diseño mecánico interno de construcción.
  21. 21. DESARROLLO EXPERIMENTAL 21
  22. 22. 22 DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UN ESPECTRFOTÓMETRO ELECCION DE CONFIGURACION A TRABAJAR ELECCION DE COMPONENTES OPTICOS MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO DISEÑO OPTO- MECANICO
  23. 23. 23 ELECCION DE CONFIGURACION A TRABAJAR
  24. 24. 24 ELECCION DE OPTICAS A TRABAJAR (Espejos) Especificaciones comunes de espejos cóncavos Diámetros disponibles 1/2", 1", 2", y 75 mm Rango del revestimiento metálico 250 - 450 nm; Ravg > 90% Irregularidad de la superficie λ/4 @ 633 nm Tolerancia del diámetro +0.0/-0.2 mm Tolerancia del espesor ±0.2 mm Substrato N-BK7 Superficie posterior Molida fina con numero de parte grabado (no pulida) Umbral de daño (Pulso) 0.3 J/cm2 (355 nm, 10 ns, 10 Hz, Ø0.381 mm) Umbral de daño (CW) 300 W/cm a 1.064 µm, Ø0.044 mm 500 W/cm a 10.6 µm, Ø0.339 mm
  25. 25. 25 ELECCION DE OPTICAS A TRABAJAR (Red difracción) Modelo 1 Modelo 2 Dimensiones (mm) 12.7 x 12.7 15 x 15 Tolerancia de las dimensiones (mm) ± 0.5 ± 0.5 Espesor (mm) 6 9 Substrato Vidrio flotado Vidrio flotado Angulo de Blaze 5° 9’ 5° 9’ Eficiencia de difracción absoluta (%) 60 – 80 a la longitud de onda de Blaze 60 – 80 a la longitud de onda de Blaze Longitud de onda de diseño (nm) 300 300 Recubrimiento Aluminio puro Aluminio puro Dirección de los surcos Paralelos al lado más corto Paralelos al lado más corto Densidad de líneas 600 600 Tipo Rejilla de difracción reflectora Rejilla de difracción reflectora Construcción Ruled grating Ruled grating
  26. 26. 26 MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO (Introduccion)
  27. 27. 27 MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO
  28. 28. 28 MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO (Resultados)
  29. 29. 29 MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO (Resultados)
  30. 30. 30 MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO (Resultados)
  31. 31. 31 RESULTADOS
  32. 32. 32 RESULTADOS 𝛌 (nm) ∆𝛌 (nm) 1 200 0.0262 2 300 0.0394 3 350 0.0459 4 400 0.0525 5 600 0.0787 6 800 0.1050 Calculo de “∆𝝀” para diferentes longitudes de onda. 𝑅 = 600 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠 𝑚𝑚 𝑥 12.7𝑚𝑚 = 7620 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠 Poder de Resolución Dispersión lineal Alrededor de la longitud de onda central se obtiene una dispersión de 20nm en 0.52mm 𝐷 =38.4615 nm/mm Resolución 𝑅 =0.06073/38.4615 nm 𝑅 =0.00164 nm
  33. 33. 33 RESULTADOS
  34. 34. DISCUSIONES 34
  35. 35. 35 • A partir del grafico de trazado de rayos, haciendo énfasis en la gráfica de astigmatismos, se puede ver una amplia diferencia entre los astigmatismos sagitales. El astigmatismo sagital en la gráfica del modelo 2 está en una escala de 20, sin embargo en el modelo 1 la escala del astigmatismo es de 5. Siendo las diferencias numéricas de 12 aproximadamente (modelo 2) a 2.5 aproximadamente (modelo 1). • Se puede apreciar de las gráficas de aberraciones cromáticas que la aberración del (modelo 1) se encuentra en una escala de 0.5, mientras que en el análisis del (modelo 2) se puede apreciar una escala de 2. • Comparando las aberraciones esféricas se puede apreciar que las aberraciones están en una escala 1 en el modelo 2 mientras que en el modelo 1 se encuentran a una escala de 2. • Se aprecia también que la distorsión en los puntos más cercanos al foco, en el modelo 1 es del orden 2 x 108 % mientras que en el modelo 2 la distorsión es del orden de 5 x 109%. • La repercusión de las magnitudes de las aberraciones anteriores hacen notorias en el diagrama de manchas donde se puede apreciar claramente que las manchas del modelo 2 tienen dimensiones más grandes y por ende muestran menor resolución. En el caso contrario las manchas del diagrama de manchas del modelo 1 son más pequeños, esto implica una mejor resolución. • Basándonos en las comparaciones realizadas con anterioridad se puede apreciar que hay una mejor resolución en el modelo 1, esto demuestra que el cálculo para el modelo más óptimo es correcto.
  36. 36. CONCLUSIONES 36
  37. 37. 37 • Se logró la obtención de un modelo óptico con aberraciones o errores ópticos minimizados al máximo sin la necesidad de elementos ópticos extra como lentes cilíndricas u otros, los cuales representarían un aumento en el costo de producción y podrían fácilmente afectar otro tipo de aberraciones. Se disminuyó el astigmatismo del plano tangencial a cero considerando que las mediciones sobre una superficie (sensor) se realizaran en este plano. • Se obtuvo que la resolución del monocromador optimo 0.0164nm y su rejilla de difracción tiene un poder de resolución de, es de 7620 líneas. • Se logró obtener un análisis de frente de onda que brindara en una segunda parte la geometría base para la construcción de un sensor. • Se logró exportar el modelo 3D de OSLO a un software de diseño en ingeniería logrando de esta manera obtener información específica para la fabricación de los elementos mecánicos, requeridas comúnmente por técnicos.
  38. 38. TRABAJO A FUTURO 38
  39. 39. 39 • El trabajo a futuro es la fabricación del banco óptico diseñado en esta primera parte del trabajo. • Verificar de manera empírica a base de un experimento, que los resultados obtenidos en la sección de análisis de frente de onda para poder fabricar un sensor CCD con la forma geométrica del frente de onda. • Calibrar el espectrofotómetro construido, y realizar diversos análisis sobre muestras orgánicas.
  40. 40. 40 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
  41. 41. 41 [1] Hutley, M.C.; Diffraction gratings Academic Press, 1982 [2] Kingslake, R. Applied Optics and Optical Engineering -Volumen V. Editorial: Academic Press, Inc. 1969. [3] Chi, Chang H., Ed., "Periodic Structures, Gratings, Moire Patterns and Diffraction Phenomena", SPIE Proc. 240 (1980). [4] Goldstein, S. A. and Walters, J. P., "A Review of Considerations for High Fidelity Imaging of Laboratory Spectroscopic Sources Parts 1 and 2", Spectrochimica ACTA, 31B, 201316, (1976). [5] James, J. F. and R. S. Sternburg, The Design of Optical Spectrometers Chapman & Hall Ltd., London, England, (1969). [6] Valera, A.; Eyzaguirre, C.; Óptica Física. Editorial Hozlo S.R.L., 1997. [7] Loewen, E. G. and Popov E.; Diffraction Gratings and Applications, Marcel Dekker, Inc., 1997.
  42. 42. GRACIAS 42

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