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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN ESPECTROFOTOMETRO PARA ANALISIS

DE FLUOERESCENCIA UV-VISIBLEEscudero Rodríguez, Ricardo Rolando

Proyecto de Tesis

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

Julio 2015

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ÍNDICE

Introducción Fundamento teóricoProcedimiento experimentalDISCUSIONConclusiónTrabajo a futuro

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.

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.

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FUNDAMENTO TEÓRICO

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Funcionamiento de un espectrofotómetro

1. Entrada de fibra óptica

2. Rendija de entrada3. Filtro4. Espejo colimador5. Rejilla de

difracción6. Espejo de enfoque7. Sensor lineal CCD

( sinα+sinβ )=10− 6nk λ

REJILLA DE DIFRACCION

10− 6nkλ=2sin( β+α2 ) cos( β −α2 )

𝐷𝑎=𝜕 𝛽𝜕 𝜆

=10− 6𝑘𝑛

𝑐𝑜𝑠 𝛽

DISPERSION ANGULAR

𝐷𝐿=𝜕𝜆𝜕 𝑥

=𝑐𝑜𝑠 𝛽106

𝑘𝑛𝐿𝐵

DISPERSION LINEAL

𝑅=𝜆∆ 𝜆

PODER DE RESOLUCION

𝑅=𝑘𝑛𝑊𝑔=𝑘𝑁

ECUACION BASICA

BLAZING

CONDICION DE LITTROW

𝑤=𝛼=𝛽2sin𝑤=𝑘𝑛 𝜆𝐵

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

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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

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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.

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MONOCROMADORES Y ESPECTROMETROS(Configuraciones básicas)

Configuracion Ebert-Fastie

Configuracion Littrow

Configuración Czerny-Turner normal

Configuración Czerny-Turner cruzado

PARAMETROS OPTICOS SISTEMA OPTICO DE UN MONOCROMADOR

AS : Tope de la aberturaL1 : 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.

: Angulo de campo medio. : Área de la fuente. : Área de la imagen de la fuente.

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PARAMETROS OPTICOS

APERTURA NUMERICA (AN)

AN=n sin (θ )θ=2arctan ( D2 f )

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.

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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√W gH g cos απ

=2√W ′ gH g

πD′ ′=2√W gH g cos 𝛽

π=2√W ′ ′ gHg

π

= =

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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

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ABERRACIONES CROMATICASTiene como origen la dependencia del índice de refracción con la longitud de onda de la luz incidente : n (), como consecuencia el foco y los aumentos dependen de . 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.

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ABERRACIONES MONOCROMATICASLas 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

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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.

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ASTIGMATISMOCuando 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

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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.

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DESARROLLO EXPERIMENTAL

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DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UN ESPECTRFOTÓMETRO

ELECCION DE CONFIGURACION

A TRABAJAR

ELECCION DE COMPONENTES

OPTICOS

MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION

EN OSLO

DISEÑO OPTO-MECANICO

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ELECCION DE CONFIGURACION A TRABAJAR

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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 posteriorMolida 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 mm500 W/cm a 10.6 µm, Ø0.339 mm

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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)

300300

Recubrimiento Aluminio puro Aluminio puro

Dirección de los surcosParalelos al lado más corto

Paralelos al lado más corto

Densidad de líneas 600 600

TipoRejilla de difracción reflectora

Rejilla de difracción reflectora

Construcción Ruled grating Ruled grating

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MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO(Introduccion)

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MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO

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MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO(Resultados)

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MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO(Resultados)

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MODELAMIENTO Y OPTIMIZACION EN OSLO(Resultados)

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RESULTADOS

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RESULTADOS

  (nm) (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 “” para diferentes longitudes de onda.

𝑅=600𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠𝑚𝑚

𝑥12.7𝑚𝑚=7620 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑠

Poder de ResoluciónDispersión lineal

Alrededor de la longitud de onda central se obtiene una dispersión de 20nm en 0.52mm

38.4615 nm/mm

Resolución

0.06073/38.4615 nm

0.00164 nm

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RESULTADOS

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DISCUSIONES

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• 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 % mientras que en el modelo 2 la distorsión es del orden de %.

• 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.

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CONCLUSIONES

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• 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.

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TRABAJO A FUTURO

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• 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.

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REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

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[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, 201 316, (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.

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GRACIAS