Sistema Modular de Espectroscopía Raman Proyecto final ...
8
Sistema Modular de Espectroscopía Raman Proyecto final: Introducción a las Ciencias de la Complejidad Padilla Robles Artemio Santiago 4 de junio del 2020 Universidad Nacional Autónoma de México Este trabajo utiliza algunos de los conceptos de las ciencias de la complejidad para analizar un sistema de espectroscopía Raman no comercial. Para esto explica someramente los conceptos más importantes de la óptica y el efecto Raman y describe brevemente el sistema óptico con el que se cuenta en el Laboratorio de Nanociencias del Instituto de Física. Se discuten algunas consideraciones de los conceptos de las ciencias de la complejidad en hardware y ventajas de dichos conceptos en el diseño de este tipo de tecnología, en particular en el diseño del sistema de espectroscopía Raman con el que trabajé en mi tesis de licenciatura en física. 1. INTRODUCCIÓN Elaborar un equipo propio de espectroscopia con pleno conocimiento del diseño permite realizar un instrumento de medición versátil que puede adecuarse a las necesidades de investigación científica frente a un equipo comercial que normalmente es una caja negra y que puede verse limitado su uso en la realización de experimentos aunque una de sus ventajas sea poder medir y utilizarse rápidamente. El proceso de fabricación de un equipo de espectroscopía Raman tiene ventajas particularmente notorias si se analiza el sistema desde la modularidad, entendiendo a los módulos como elementos del sistema relativamente independientes con interacciones bien caracterizadas entre sí [1] [2]. La primera ventaja de fabricar un sistema con estas características es la adaptabilidad. Donde debido a que el sistema fabricado no es una caja negra, el tratamiento que se realiza a la dispersión de la luz esta bien caracterizada, es posible implementar módulos adicionales o cambiar los módulos usados para poder realizar técnicas y experimentos con requisitos específicos. Otra ventaja de este tipo de sistemas es que tienen una robustez mucho mayor que los sistemas comerciales. Es decir, estos sistemas son más propensos a seguir funcionando aún con perturbaciones [3]. Eso en parte debido a que en los sistemas comerciales generalmente el usuario no puede realizar ni modificar el equipo. Lo cual no aplica en equipos "homemade", donde se pueden adicionar elementos ópticos con la posibilidad de remplazar partes y reparar el sistema en caso de que sea necesario. Una última ventaja que vale la pena mencionar es que este tipo de sistemas exhibe un comportamiento similar al denominado "lento es más rápido" [4], en el caso de este sistema de espectroscopía Raman, este fenómeno se puede analizar al comparar las velocidades en las cuales estos sistemas se pueden aplicar a distintas lineas de investigación. Un espectrómetro comercial puede empezar a operar al poco tiempo de adquirirlo, mientras que un espectrómetro modular fabricado de manera "homemade" puede aparentar tener una aplicación más lenta al inicio, por el proceso que tiene que pasar en su diseño, implementación y pruebas. Sin embargo, una vez operacionales ambos tipos de equipos, el sistema comercial no es fácil ni conveniente de adaptar a experimentos diferentes a los que el fabricante contemplo en su diseño original, pero el espectrómetro modular puede adaptarse de manera relativamente sencilla, ofreciendo una mayor velocidad de aplicación en condiciones imprevistas y en el largo plazo. En este trabajo se detallan algunas de las consideraciones tomadas al momento de diseñar un espectrómetro Raman modular de fabricación "homemade"partiendo de un sistema de espectroscopía Raman diseñado en torno a una sonda Raman comercial [5]. Adicionalmente, usando el análisis en términos de los módulos ópticos que conforman el sistema, se examinan diversos factores que afectan la eficiencia del sistema como geométrica o características cromáticas de la luz, y se ofrece una caracterización de la eficiencia de colección. Por brevedad no se ahondará a profundidad en la teoría electromagnética que explica lo que no conocemos como luz ni en la teoría cuántica que fundamenta el fenómeno Raman que aprovecha este dispositivo, sin embargo, a continuación se brinda una explicación breve de los puntos más importante a considerar de ambas.
Transcript of Sistema Modular de Espectroscopía Raman Proyecto final ...
Sistema Modular de Espectroscopía Raman Proyecto final:
Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Padilla Robles Artemio Santiago 4 de junio del 2020
Universidad Nacional Autónoma de México
Este trabajo utiliza algunos de los conceptos de las ciencias de la complejidad para analizar un sistema de espectroscopía Raman no comercial. Para esto explica someramente los conceptos más importantes de la óptica y el efecto Raman y describe brevemente el sistema
óptico con el que se cuenta en el Laboratorio de Nanociencias del Instituto de Física. Se discuten algunas consideraciones de los conceptos de las ciencias de la complejidad en hardware y ventajas de dichos conceptos en el diseño de este tipo de tecnología, en particular en el diseño
del sistema de espectroscopía Raman con el que trabajé en mi tesis de licenciatura en física.
1. INTRODUCCIÓN
Elaborar un equipo propio de espectroscopia con pleno conocimiento del diseño permite realizar un instrumento de medición versátil que puede adecuarse a las necesidades de investigación científica frente a un equipo comercial que normalmente es una caja negra y que puede verse limitado su uso en la realización de experimentos aunque una de sus ventajas sea poder medir y utilizarse rápidamente.
El proceso de fabricación de un equipo de espectroscopía Raman tiene ventajas particularmente notorias si se analiza el sistema desde la modularidad, entendiendo a los módulos como elementos del sistema relativamente independientes con interacciones bien caracterizadas entre sí [1] [2].
La primera ventaja de fabricar un sistema con estas características es la adaptabilidad. Donde debido a que el sistema fabricado no es una caja negra, el tratamiento que se realiza a la dispersión de la luz esta bien caracterizada, es posible implementar módulos adicionales o cambiar los módulos usados para poder realizar técnicas y experimentos con requisitos específicos.
Otra ventaja de este tipo de sistemas es que tienen una robustez mucho mayor que los sistemas comerciales. Es decir, estos sistemas son más propensos a seguir funcionando aún con perturbaciones [3]. Eso en parte debido a que en los sistemas comerciales generalmente el usuario no puede realizar ni modificar el equipo. Lo cual no aplica en equipos "homemade", donde se pueden adicionar elementos ópticos con la posibilidad de remplazar partes y reparar el sistema en caso de que sea necesario.
Una última ventaja que vale la pena mencionar es que este tipo de sistemas exhibe un comportamiento similar al denominado "lento es más rápido" [4], en el caso de este
sistema de espectroscopía Raman, este fenómeno se puede analizar al comparar las velocidades en las cuales estos sistemas se pueden aplicar a distintas lineas de investigación. Un espectrómetro comercial puede empezar a operar al poco tiempo de adquirirlo, mientras que un espectrómetro modular fabricado de manera "homemade" puede aparentar tener una aplicación más lenta al inicio, por el proceso que tiene que pasar en su diseño, implementación y pruebas. Sin embargo, una vez operacionales ambos tipos de equipos, el sistema comercial no es fácil ni conveniente de adaptar a experimentos diferentes a los que el fabricante contemplo en su diseño original, pero el espectrómetro modular puede adaptarse de manera relativamente sencilla, ofreciendo una mayor velocidad de aplicación en condiciones imprevistas y en el largo plazo.
En este trabajo se detallan algunas de las consideraciones tomadas al momento de diseñar un espectrómetro Raman modular de fabricación "homemade"partiendo de un sistema de espectroscopía Raman diseñado en torno a una sonda Raman comercial [5]. Adicionalmente, usando el análisis en términos de los módulos ópticos que conforman el sistema, se examinan diversos factores que afectan la eficiencia del sistema como geométrica o características cromáticas de la luz, y se ofrece una caracterización de la eficiencia de colección.
Por brevedad no se ahondará a profundidad en la teoría electromagnética que explica lo que no conocemos como luz ni en la teoría cuántica que fundamenta el fenómeno Raman que aprovecha este dispositivo, sin embargo, a continuación se brinda una explicación breve de los puntos más importante a considerar de ambas.
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
1. Luz
La luz, en su connotación más amplia, es el término colo- quial con el que se denomina a la radiación electromagnética. La radiación electromagnética ha sido ampliamente estudiada y se ha verificado que exhibe propiedades tanto de partícula como de onda, sin embargo, la aceptación de la dualidad fue un tema de gran polémica en la comunidad científica.
Max Planck propuso recién entrado el siglo XX que la ra- diación electromagnética se emite en cuantos [6], los cuales son pequeños pedazos bien definidos o cuantizados de ener- gía, en lugar de manera continua como se pensaba hasta ese momento [7]. En sus trabajos, Planck se propuso que la ener- gía (E) de un cuanto de luz es proporcional a su frecuencia (ν), o inversamente proporcional a su longitud de onda (λ ), de la siguiente manera:
E = hν = hc λ
(1)
Donde c es la velocidad de la luz en el vacío, la cuál es una constante universal; mientras que h la constante de Planck. De esta manera se relaciona la longitud de onda o frecuencia de la luz con su energía. Las longitudes de onda pueden tomar cualquier valor, pero en la práctica no todas las fuentes de luz emiten un espectro continuo, en general las transiciones de energía atómicas y moleculares emiten solo ciertas longitudes de onda.
En 1926 el químico Gilbert Lewis sugirió el nombre de fotón para nombrar a estos cuantos de luz, termino que es usado hasta el día de hoy [8].
Lo que percibimos los humanos a través de nuestros ojos como luz visible son fotones con una frecuencia en un rango específico del espectro electromagnético, hemos evoluciona- do biológicamente para poder detectar las longitudes de onda de 400 nm y 700 nm [9].
2. Óptica Geométrica
Una de las aproximaciones de la radiación electromag- nética que podemos hacer para realizar un sistema óptico es considerar la longitud de onda como despreciable en comparación con el tamaño de los objetos macroscópicos con los que la radiación electromagnética (REM) interactúa. Esta aproximación es generalmente valida para el espectro visible en comparación con elementos ópticos como podrían ser espejos y lentes. Recordemos que la longitud de onda del espectro visible tiene un rango de 400 nm a 700 nm, mientras que por lo general los elementos ópticos tienen sus dimensiones en el rango de los centímetros.
El campo de estudio donde la longitud de onda de los fotones es despreciable con respecto a los elementos con
los que interactúa se suele denominar óptica geométrica, en cambio, cuando la longitud de onda no es despreciable el campo de estudio se denomina óptica física.
De esta manera, y aprovechando las interacciones de refle- xión y refracción de la luz con diversos materiales, como se ilustra en la figura 1, se pueden diseñar y construir lentes y espejos, con los cuales se puede controlar el camino óptico de los fotones. Cabe mencionar que la refracción depende del material y de la energía (longitud de onda) de los fotones a usar y su formula general es:
sin(θi)
sin(θt) =
n(λ )i = constante (2)
Donde n(λ )t es el índice de refracción de medio en el cual se trasmite el rayo, y n(λ )i es el índice de refracción del medio en el cual se propaga el rayo incidente. La ley de refracción de los rayos de luz también se conoce como la ley de Snell.
Rayo Transmitido
Incidencia
Rayo Reejado
Fig. 1. Ilustración que muestra el proceso de refracción y reflexión (simplificado a reflexiones de primer orden) de un rayo de luz que in- cide en un prisma rectangular con índice de refracción distinto al del medio de incidencia. El ángulo del rayo reflejado es igual al ángulo del rayo incidente, mientras que el ángulo con el cual se trasmite un rayo en el medio depende del índice de refracción del material en cuestión. Si al salir del prisma el medio es igual al de incidencia, el ángulo del rayo final transmitido será igual al ángulo incidente [7].
En la figura 2 se muestran ejemplos de lentes convexas y cóncavas con las cuales se puede enfocar o colimar los rayos de luz.
Padilla Robles Artemio Santiago 2 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
f f
a) b)
Fig. 2. a) Lente convexa, la cual se puede usar tanto para enfocar un haz colimado o para colimar fotones provenientes de una fuente puntual. b) Lente cóncava, la cual generalmente se usa para hacer divergir los fotones de un haz colimado. En ambos casos f es el foco y las lineas verde son los frentes de onda [7].
3. Efecto Raman
Raman descubrió que si se hace incidir un haz de fotones con frecuencia ν0 en una muestra que manifiesta el efecto Raman, la luz dispersada por la muestra puede ser de dos tipos, la de dispersión Rayleigh y la de dispersión Raman. Los fotones de la dispersión Rayleigh tienen la misma frecuencia que los fotones incidentes (ν0), mientras que los fotones de la dispersión Raman tienen una frecuencia ν0 ± νm, con νm la frecuencia vibracional de los estados energéticos de la molécula. Los fotones que se emiten por dispersión Raman pueden tener frecuencia ν0 − νm o ν0 + νm, al primer tipo se le conoce como dispersión Stokes, mientras que el segundo se le conoce como Anti-Stokes, esta manera de catalogar los fotones Raman proviene de la regla de Stokes para la fluorescencia, la cual dice que la frecuencia de los fotones emitidos es siempre menor o igual a la de los fotones que excitan a la muestra, debido a que en espectroscopía Raman esta regla se rompe, a los fotones que la rompen se llaman Anti-Stokes [10] [11].
El origen de los fotones Raman se explica al analizar como se excitan los niveles energéticos moleculares cuando se les hace incidir fotones con energía hν0. Las moléculas pueden interactuar estos fotones y pasar a un estado virtual excitado, estos estados virtuales son estados energéticos permitidos pero poco estables, los cuales decaen rápidamente. En la mayoría de las veces la molécula simplemente regresará a su estado inicial, reemitiendo un fotón con energía hν0, sin embargo, es posible que la molécula, al decaer de su estado virtual excitado, transicione a un nivel energético superior al que tenía en un inicio, emitiendo así un fotón con energía h(ν0− νm). También es posible que la molécula haya estado en un inicio en un estado energético excitado y que al decaer de su estado virtual transicione hasta su estado basal, emitiendo un fotón con energía h(ν0 + νm) [12]. Estas transiciones se ilustran en la figura 3.
N iv
el es
E ne
rg ét
ic os
M ol
ec ul
ar es
Es ta
do s
Vi rt
ua le
E =
E =
ΔE
ΔE
Fig. 3. Ilustración del origen de la dispersión Raman y Rayleigh, en- tre más ancha es la flecha más probable es que dicha transición ocu- rra. En esta ilustración E = ±νm es la diferencia de energía entre los estados energéticos 0 y 1 [12].
2. TRABAJO RELACIONADO
1. Sistema del que parte el trabajo de la tesis
El sistema óptico anterior consiste de una serie de ele- mentos ópticos diseñados para acoplar una sonda Raman comercial a una fuente de excitación externa, dicha sonda Raman contiene ya el filtro óptico para separar la señal Rayleigh de la señal Raman. La óptica original es toda de media pulgada de diámetro, a excepción de la lente asférica, la cuál tiene un diámetro de una pulgada.
En el arreglo presentado por Aldo Torre, un láser de 638 nm con una potencia de 35 mW emite su haz en dirección a un filtro variable continuo, este filtro permite modular la potencia del haz trasmitido desde 0% hasta el máximo total de la potencia del láser. Una vez modulada la intensidad del haz transmitido este se hace incidir a 45o en un divisor de haz de media pulgada con una transmisión del 50%, luego la parte reflejada del haz va hacia una lente asférica la cual enfoca el haz al límite de difracción en una muestra. La muestra es entonces excitada y los fotones dispersados (Rayleigh, Stokes y Anti-Stokes) vuelven a ser colectados por la lente. La lente colima los fotones colectados en un haz de una pulgada, la cual pasa a través del divisor de haz de media pulgada, por lo cual se pierde la señal que afuera del área del elemento de media pulgada. El haz transmitido es entonces dirigido con dos espejos de media pulgada a una lente convexa, para finalmente ser acoplado a la sonda Raman de Inphotonics, la cual filtra la señal Rayleigh dejando pasar únicamente la señal Raman (Stokes). Esta señal es transmitida por medio de fibra óptica hasta un espectrómetro Ocean Optics QE65 Pro, el cuál analiza el espectro de los fotones colectados y permite analizar la señal Raman. Este proceso se ilustra en la figura 4.
Padilla Robles Artemio Santiago 3 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
Una de las desventajas de mantener el sistema de colección por la sonda comercial es que el fabricante no permite la modificación ni brinda información detallada de la misma, por lo cual las capacidades de colección no se pueden adaptar a necesidad del experimentador. Además, al tener que usar una lente para acoplar el haz a la sonda, se agrega un factor que dificulta la alineación del sistema, puesto que la lente interna de la sonda y la lente externa que se usa para acoplarse deben de estar alineadas tanto angularmente como traslacionalmente.
Este sistema de espectroscopía Raman es básicamente un sistema de excitación modular adaptado a un sistema de colección comercial.
Láser
Filtro Continuo
Fig. 4. Ilustración del arreglo óptico del cuál parte esta tesis [5].
2. Otros ejemplos de modularidad en hardware
Existen muchos ejemplos del uso de las propiedades de mo- dularidad en sistemas de hardware, sin embargo los sistemas que hacen uso de estas propiedades no son los más comunes. Una posible explicación de esto es que el grueso de los dis- positivos en el mercado no están diseñados para poder apro- vechar las ventajas que otorga la modularidad debido a que la mayoría de los consumidores no desea adaptar el aparato que compra a condiciones diferentes de las especificadas, y en su lugar simplemente desea un aparato que cumpla fun- ciones bien establecidas por el fabricante en torno a las ne- cesidades especificas que el usuario desee satisfacer. Además, diseñar dispositivos modulares suele ser más costoso, y obte- ner redundancia en estos dispositivos generalmente significa tener que adquirir dos o más partes, lo cual también aumenta el costo. Sin embargo, existen ciertos ejemplos a destacar:
Computadoras de escritorio y servidores: Este tipo de equipo suelen contar con puertos que funcionan con protocolos bien establecidos, por los cuales se pueden implementar diferentes módulos para modificar dichos sistemas
Teléfonos inteligentes modulares: Los teléfonos inte- ligentes modulares si bien no han logrado posicionarse y dominar el mercado, han tenido ejemplos notables co- mo el Project Ara de Google, el Moto Z de Motorola, o el LG G5.
Estación espacial internacional: Debido a los grandes costos de llevar dispositivos al espacio la ISS desde su diseño ha estado pensada de manera modular, para poco a poco poderla expandir y adaptar a las misiones que puedan presentarse.
3. MÉTODOS/MODELO/PROPUESTA
Este texto se basa en las modificaciones realizadas durante mi tesis de licenciatura a un sistema de espectroscopía Raman donde se plantea un método de colección con capacida- des modulares. Además se modifican algunos los elementos ópticos poder aplicar el espectrómetro a nuevos experimentos.
Podemos dividir el sistema Raman completo en dos subsis- temas, el sistema de excitación y el sistema de colección.
El análisis sistémico se realizará en el orden en que los fotones avanzan por el sistema óptico, analizando primero el proceso de excitación de la muestra y luego el proceso de colección de los fotones emitidos. El diagrama del sistema completo se muestra en la figura 5.
1. Proceso de excitación
I Un láser emite un haz de fotones polarizados verti- calmente con λ = 638 nm.
II El haz pasa a través de un filtro continuo, para po- der regular la intensidad del haz transmitido y por lo tanto de la potencia que se hace incidir en la muestra.
III Para mejorar la polarización lineal del haz, este se trasmite a través de un polarizador lineal, en este caso se usa un cristal birrefringente.
IV El haz pasa por un juego de dos lentes para asegu- rar que esté bien colimado. En este paso es posible ampliar el tamaño del haz para reducir la región fo- cal de la lente.
V Una vez colimado este haz, se hace incidir a 45o
en un espejo dicroico, que dirige la parte reflejada hacia la muestra.
VI El haz es enfocado por una lente asférica y acromá- tica sobre la muestra a analizar
Padilla Robles Artemio Santiago 4 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
VII En la región focal la luz interacciona con la mues- tra, lo que genera dispersión y absorción de foto- nes, la parte absorbida se puede reemitir o convertir en calor.
2. Proceso de colección
I Una cantidad de fotones, proporcional al ángulo só- lido que hace la superficie de la lente asférica con respecto a la región de la muestra de donde se es- tán dispersando, son colectados por la lente asférica que los colima en un haz circular de una pulgada de diámetro. Dependiendo de la muestra, los fotones dispersados pueden tener una fracción de fotones Raman.
II El haz pasa a través del espejo dicroico, aquí la ma- yoría de los fotones de Stokes se trasmitirán apro- vechando que el espejo tiene una mayor transmi- sión para sus longitudes de onda. sin embargo, se perderá una fracción del haz por la geometría del sistema, esto se discute en la sección de eficiencia geométrica.
III Los fotones son transmitidos a través de un pola- rizador lineal para poder filtrar los fotones que se desean analizar de acuerdo a su polarización. Este paso es opcional.
IV El haz es reflejado en los espejos planos de plata para poder alinear el haz de manera precisa con el acoplador.
V Los fotones pasan a través del filtro RazorEdge que elimina la señal de Rayleigh y por la cuál, de no ser filtrada, el espectrómetro se saturaría y no se podrían distinguir los fotones Raman.
VI Posteriormente el haz es reflejado por el espejo pa- rabólico y acoplado a una fibra óptica.
VII La fibra óptica guía los fotones hasta el espectró- metro
VIII El espectrómetro, que incorpora una rejilla de di- fracción, analiza la intensidad de la luz, de acuerdo con el número de fotones que logra detectar, en un tiempo dado y en función a su longitud de onda. Después calcula el corrimiento Raman de dichos fotones.
Láser
L1
L2
P1
P2
E1
E2
LA
Muestra
FEP
FO
S
ED
FC
Fig. 5. Diagrama del funcionamiento del sistema óptico, en donde FC es el filtro continuo, L1 y L2 las lentes usadas para asegurar una buena colimación del láser, P1 y P2 son los polarizadores, ED el es- pejo dicroico, LA la lente asférica y acromática, E1 y E2 los espejos planos, F el filtro de Semrock, EP el espejo parabólico, FO la fibra óptica y S el espectrómetro.
Para poder usar los elementos ópticos de esta manera se necesitan construir módulos óptomecánicos para poder hacer que los elementos interactúen de la manera deseada.
Usando la información sobre la reflectancia y transmitancia de cada una de los componentes que conforman el sistema óptico podemos deducir la eficiencia del sistema completo en función de la longitud de onda, para este análisis es conveniente analizar las componentes del sistema en el trayecto de la colección fotónica.
La luz emitida por la muestra (M) es colectada y colimada por la lente principal (L), luego pasa por el filtro dicroico (D), es reflejada por los dos espejos planos (Ea) para alinearla a través de un filtro (F) hacia un tercer espejo (Eb), este último con perfil parabólico, que acopla la luz a una fibra óptica (O), que la lleva hacia el interior del espectrómetro de Ocean Op- tics, donde tiene que rebotar en 2 espejos (Ec) y en una rejilla de difracción (RD) antes atravesar la ventana de zafiro (V ) pa- ra llegar al el sensor (S). Notemos que los 3 espejos exteriores tienen todos las mismas características de reflectancia puesto que son del mismo material. De tal modo que la luz tiene las siguientes interacciones:
M→L→D→E2 a→F→Eb→O→Ec→RD→Ec→V→ S
Conociendo la transmitancia de cada elemento óptico por el cual pasa la luz, la reflectancia de cada uno de los elementos
Padilla Robles Artemio Santiago 5 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
donde de refleja la luz, la atenuación de la fibra óptica y la eficiencia cuántica del sensor se puede estimar la eficiencia que tiene la colección de fotones en función de su color. Sin embargo, el fabricante no indica la reflectancia de los espejos que usa ni la eficiencia de la rejilla. Por simplicidad asumiremos todas iguales a la de los espejos exteriores, i.e. E = Ea = Eb = Ec = RD.
De esta manera las interacciones se pueden aproximar a:
M→ L→ D→ E2→ F → E→ O→ E3→V → S
Estos datos se pueden conocer a través de los fabricantes de cada elemento, estando la mayoría disponible de forma estructurada en formato Valores Separados por Coma (CSV por sus siglas en ingles), sin embargo, para la eficiencia cuántica de sensor, la transmitancia de la ventana de zafiro del sensor y la atenuación (perdida de inserción) de la fibra óptica, sólo tiene disponible información no estructurada en formato gráfico, por lo cual se analizaron las gráficas con el software Engauge Digitalizer 11.3 para aproximar estos datos.
Cabe hacer notar que las interacciones de cada módulo son interacciones no lineales (hay funciones escalón, parábolas, etc.), sin embargo, debido a que los módulos están construi- dos con elementos de grado científico estas interacciones es- tán bien caracterizadas por los fabricantes. De esta manera, a pesar de tener una serie de transformaciones no lineales, se puede hacer el cálculo de la interacción neta del sistema ópti- co.
4. RESULTADOS
En base a lo expuesto anterior se montó y alineó el sistema óptico. El sistema completo final se puede ver en la figura 6.
Fig. 6. Sistema óptico con las componentes optomecánicas montadas sobre la T de aluminio.
Se realizó el cálculo de la eficiencia en términos del co- rrimiento Raman para el láser implementado (figura 7), esta última eficiencia sirve para analizar el resultado en términos de las mediciones que se pueden realizar en experimentos de espectroscopía Raman.
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Corrimiento Raman (cm -1
Eficiencia en función del corrimiento Raman
Fig. 7. Eficiencia estimada de la colección del sistema óptico en tér- minos del corrimiento Raman para el láser de 638 nm usado.
Padilla Robles Artemio Santiago 6 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
Además, se utilizó el sistema con sus capacidades de adap- tabilidad para realizar diversos experimentos, cada uno con necesidades particulares.
5. DISCUSIÓN
1. Métodos computacionales
Como en las ciencias de la complejidad, es necesario usar el uso de métodos computacionales, en este caso para calcular las eficiencias se usan las transformaciones realizadas por los elementos ópticos, una tras otra, para cada uno de los píxeles que puede registrar el sensor.
Se calculan por computadora (MATLAB) las 13 transfor- maciones para los 1024 píxeles. Para esto se hace una inter- polación de los datos reportados por los fabricantes de cada elemento a las longitudes de onda que pueden ser leídos.
2. Emergencia
El espectrómetro Raman en sí es una entidad emergente. Este sistema óptico es producto de las interacciones de sus componentes. Las componentes aisladas no son el espectró- metro Raman y poco pueden decir de este.
3. Adaptación
El plantear el sistema en forma modular hace que sea más fácil adaptarlo a necesidades particulares de experimentos a realizar.
En particular la espectroscopía Raman es una técnica que tiene muchas otras técnicas auxiliares, por lo cual elaborar un equipo así, en lugar de comprar uno comercial, permite que se puedan realizar investigaciones científicas en más ramas del conocimiento y que sea fácil cambiar de un tema de estudio a otro.
4. Robustez
El poder modificar cada módulo y sus componentes permi- ten tener más de una de cada pieza usada. Ofreciendo redun- dancia a relativo bajo costo y una manera de poder reparar el equipo en dado que alguna de sus componentes falle.
5. Lento es más rápido
Los equipos comerciales son extremadamente difíciles de modificar, por lo que a pesar de ofrecer una solución rápi- da"para poder hacer espectroscopía Raman, su falta de adap- tabilidad hace que un sistema diseñado con capacidades mo-
dulares sea más rápido desde un enfoque de desarrollo conti- nuo.
6. CONCLUSIONES
Pensar sistemas de hardware desde el punto de vista de ciencias de la complejidad tiene ventajas. Aunque este tipo de sistemas puedan considerar más rígidos que sistemas de wetware o software, siguen siendo sistemas que pueden apro- vechar dichos conceptos para hacer más claro su potencial y permitir que los equipos que diseñan este tipo de sistemas creen planes a largo plazo que contemplen las ventajas que ofrece la modularidad, la adaptabilidad, la robustez y otros de los conceptos.
En particular estos conceptos se pueden aplicar en mi tra- bajo de tesis de licenciatura, lo cual me permite profundizar en la manera que estos conceptos influyen, sus ventajas y sus limitaciones.
La utilización de estos conceptos me permitió explicar de mejor manera el trabajo que realicé, comprender y exponer de manera más clara las ventajas de integrar los conceptos de la complejidad en un ambiente reduccionista como la física. De esta forma analicé el funcionamiento del sistema en su conjunto y aporté un método de caracterización del mismo, el cual no se había aplicado antes.
Además esto sirve también para señalar posibles futuras mejoras al sistema, entre la que destaca una posible manera de aplicar múltiples láseres.
Padilla Robles Artemio Santiago 7 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
REFERENCIAS
[1] Wagner, Günter P and Pavlicev, Mihaela and Cheverud, James M. The road to modularity. Nature Reviews Genetics, 2007 [2] Ulrich, Karl. Fundamentals of Product Modularity. Springer Netherlands, 1994. [3] Wagner, Andreas. Robustness and evolvability in living systems. Princeton University Press, 2013. [4] Gershenson, Carlos and Helbing, Dirk. When slower is faster. Wiley Online Library, 2015. [5] Torre, Aldo. Desarrollo de un sistema óptico para amplificación Raman por sonda local. Universidad Nacional Autónoma de México,
2017. [6] Planck, Max. On the law of distribution of energy in the normal spectrum. Annalen der physik, 1901. [7] Pedrotti, Frank L and Pedrotti, Leno M and Pedrotti, Leno S. Introduction to optics. Addison-Wesley, 2006. [8] Lewis, Gilbert N. The conservation of photons. Nature Publishing Group, 1926. [9] Ghai, CL. A textbook of practical physiology. JP Medical Ltd, 2012.
[10] Long, Derek A. The raman effect. Wiley, 2002. [11] Ferraro, J.R. and Nakamoto, K. Introductory Raman Spectroscopy. Elsevier Science, 2002. [12] Skoog, Douglas A. and Holler, F. James and Crouch, Stanley R. Principles of instrumental analysis. Cengage learning, 2017.
Padilla Robles Artemio Santiago 4 de junio del 2020
Universidad Nacional Autónoma de México
Este trabajo utiliza algunos de los conceptos de las ciencias de la complejidad para analizar un sistema de espectroscopía Raman no comercial. Para esto explica someramente los conceptos más importantes de la óptica y el efecto Raman y describe brevemente el sistema
óptico con el que se cuenta en el Laboratorio de Nanociencias del Instituto de Física. Se discuten algunas consideraciones de los conceptos de las ciencias de la complejidad en hardware y ventajas de dichos conceptos en el diseño de este tipo de tecnología, en particular en el diseño
del sistema de espectroscopía Raman con el que trabajé en mi tesis de licenciatura en física.
1. INTRODUCCIÓN
Elaborar un equipo propio de espectroscopia con pleno conocimiento del diseño permite realizar un instrumento de medición versátil que puede adecuarse a las necesidades de investigación científica frente a un equipo comercial que normalmente es una caja negra y que puede verse limitado su uso en la realización de experimentos aunque una de sus ventajas sea poder medir y utilizarse rápidamente.
El proceso de fabricación de un equipo de espectroscopía Raman tiene ventajas particularmente notorias si se analiza el sistema desde la modularidad, entendiendo a los módulos como elementos del sistema relativamente independientes con interacciones bien caracterizadas entre sí [1] [2].
La primera ventaja de fabricar un sistema con estas características es la adaptabilidad. Donde debido a que el sistema fabricado no es una caja negra, el tratamiento que se realiza a la dispersión de la luz esta bien caracterizada, es posible implementar módulos adicionales o cambiar los módulos usados para poder realizar técnicas y experimentos con requisitos específicos.
Otra ventaja de este tipo de sistemas es que tienen una robustez mucho mayor que los sistemas comerciales. Es decir, estos sistemas son más propensos a seguir funcionando aún con perturbaciones [3]. Eso en parte debido a que en los sistemas comerciales generalmente el usuario no puede realizar ni modificar el equipo. Lo cual no aplica en equipos "homemade", donde se pueden adicionar elementos ópticos con la posibilidad de remplazar partes y reparar el sistema en caso de que sea necesario.
Una última ventaja que vale la pena mencionar es que este tipo de sistemas exhibe un comportamiento similar al denominado "lento es más rápido" [4], en el caso de este
sistema de espectroscopía Raman, este fenómeno se puede analizar al comparar las velocidades en las cuales estos sistemas se pueden aplicar a distintas lineas de investigación. Un espectrómetro comercial puede empezar a operar al poco tiempo de adquirirlo, mientras que un espectrómetro modular fabricado de manera "homemade" puede aparentar tener una aplicación más lenta al inicio, por el proceso que tiene que pasar en su diseño, implementación y pruebas. Sin embargo, una vez operacionales ambos tipos de equipos, el sistema comercial no es fácil ni conveniente de adaptar a experimentos diferentes a los que el fabricante contemplo en su diseño original, pero el espectrómetro modular puede adaptarse de manera relativamente sencilla, ofreciendo una mayor velocidad de aplicación en condiciones imprevistas y en el largo plazo.
En este trabajo se detallan algunas de las consideraciones tomadas al momento de diseñar un espectrómetro Raman modular de fabricación "homemade"partiendo de un sistema de espectroscopía Raman diseñado en torno a una sonda Raman comercial [5]. Adicionalmente, usando el análisis en términos de los módulos ópticos que conforman el sistema, se examinan diversos factores que afectan la eficiencia del sistema como geométrica o características cromáticas de la luz, y se ofrece una caracterización de la eficiencia de colección.
Por brevedad no se ahondará a profundidad en la teoría electromagnética que explica lo que no conocemos como luz ni en la teoría cuántica que fundamenta el fenómeno Raman que aprovecha este dispositivo, sin embargo, a continuación se brinda una explicación breve de los puntos más importante a considerar de ambas.
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
1. Luz
La luz, en su connotación más amplia, es el término colo- quial con el que se denomina a la radiación electromagnética. La radiación electromagnética ha sido ampliamente estudiada y se ha verificado que exhibe propiedades tanto de partícula como de onda, sin embargo, la aceptación de la dualidad fue un tema de gran polémica en la comunidad científica.
Max Planck propuso recién entrado el siglo XX que la ra- diación electromagnética se emite en cuantos [6], los cuales son pequeños pedazos bien definidos o cuantizados de ener- gía, en lugar de manera continua como se pensaba hasta ese momento [7]. En sus trabajos, Planck se propuso que la ener- gía (E) de un cuanto de luz es proporcional a su frecuencia (ν), o inversamente proporcional a su longitud de onda (λ ), de la siguiente manera:
E = hν = hc λ
(1)
Donde c es la velocidad de la luz en el vacío, la cuál es una constante universal; mientras que h la constante de Planck. De esta manera se relaciona la longitud de onda o frecuencia de la luz con su energía. Las longitudes de onda pueden tomar cualquier valor, pero en la práctica no todas las fuentes de luz emiten un espectro continuo, en general las transiciones de energía atómicas y moleculares emiten solo ciertas longitudes de onda.
En 1926 el químico Gilbert Lewis sugirió el nombre de fotón para nombrar a estos cuantos de luz, termino que es usado hasta el día de hoy [8].
Lo que percibimos los humanos a través de nuestros ojos como luz visible son fotones con una frecuencia en un rango específico del espectro electromagnético, hemos evoluciona- do biológicamente para poder detectar las longitudes de onda de 400 nm y 700 nm [9].
2. Óptica Geométrica
Una de las aproximaciones de la radiación electromag- nética que podemos hacer para realizar un sistema óptico es considerar la longitud de onda como despreciable en comparación con el tamaño de los objetos macroscópicos con los que la radiación electromagnética (REM) interactúa. Esta aproximación es generalmente valida para el espectro visible en comparación con elementos ópticos como podrían ser espejos y lentes. Recordemos que la longitud de onda del espectro visible tiene un rango de 400 nm a 700 nm, mientras que por lo general los elementos ópticos tienen sus dimensiones en el rango de los centímetros.
El campo de estudio donde la longitud de onda de los fotones es despreciable con respecto a los elementos con
los que interactúa se suele denominar óptica geométrica, en cambio, cuando la longitud de onda no es despreciable el campo de estudio se denomina óptica física.
De esta manera, y aprovechando las interacciones de refle- xión y refracción de la luz con diversos materiales, como se ilustra en la figura 1, se pueden diseñar y construir lentes y espejos, con los cuales se puede controlar el camino óptico de los fotones. Cabe mencionar que la refracción depende del material y de la energía (longitud de onda) de los fotones a usar y su formula general es:
sin(θi)
sin(θt) =
n(λ )i = constante (2)
Donde n(λ )t es el índice de refracción de medio en el cual se trasmite el rayo, y n(λ )i es el índice de refracción del medio en el cual se propaga el rayo incidente. La ley de refracción de los rayos de luz también se conoce como la ley de Snell.
Rayo Transmitido
Incidencia
Rayo Reejado
Fig. 1. Ilustración que muestra el proceso de refracción y reflexión (simplificado a reflexiones de primer orden) de un rayo de luz que in- cide en un prisma rectangular con índice de refracción distinto al del medio de incidencia. El ángulo del rayo reflejado es igual al ángulo del rayo incidente, mientras que el ángulo con el cual se trasmite un rayo en el medio depende del índice de refracción del material en cuestión. Si al salir del prisma el medio es igual al de incidencia, el ángulo del rayo final transmitido será igual al ángulo incidente [7].
En la figura 2 se muestran ejemplos de lentes convexas y cóncavas con las cuales se puede enfocar o colimar los rayos de luz.
Padilla Robles Artemio Santiago 2 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
f f
a) b)
Fig. 2. a) Lente convexa, la cual se puede usar tanto para enfocar un haz colimado o para colimar fotones provenientes de una fuente puntual. b) Lente cóncava, la cual generalmente se usa para hacer divergir los fotones de un haz colimado. En ambos casos f es el foco y las lineas verde son los frentes de onda [7].
3. Efecto Raman
Raman descubrió que si se hace incidir un haz de fotones con frecuencia ν0 en una muestra que manifiesta el efecto Raman, la luz dispersada por la muestra puede ser de dos tipos, la de dispersión Rayleigh y la de dispersión Raman. Los fotones de la dispersión Rayleigh tienen la misma frecuencia que los fotones incidentes (ν0), mientras que los fotones de la dispersión Raman tienen una frecuencia ν0 ± νm, con νm la frecuencia vibracional de los estados energéticos de la molécula. Los fotones que se emiten por dispersión Raman pueden tener frecuencia ν0 − νm o ν0 + νm, al primer tipo se le conoce como dispersión Stokes, mientras que el segundo se le conoce como Anti-Stokes, esta manera de catalogar los fotones Raman proviene de la regla de Stokes para la fluorescencia, la cual dice que la frecuencia de los fotones emitidos es siempre menor o igual a la de los fotones que excitan a la muestra, debido a que en espectroscopía Raman esta regla se rompe, a los fotones que la rompen se llaman Anti-Stokes [10] [11].
El origen de los fotones Raman se explica al analizar como se excitan los niveles energéticos moleculares cuando se les hace incidir fotones con energía hν0. Las moléculas pueden interactuar estos fotones y pasar a un estado virtual excitado, estos estados virtuales son estados energéticos permitidos pero poco estables, los cuales decaen rápidamente. En la mayoría de las veces la molécula simplemente regresará a su estado inicial, reemitiendo un fotón con energía hν0, sin embargo, es posible que la molécula, al decaer de su estado virtual excitado, transicione a un nivel energético superior al que tenía en un inicio, emitiendo así un fotón con energía h(ν0− νm). También es posible que la molécula haya estado en un inicio en un estado energético excitado y que al decaer de su estado virtual transicione hasta su estado basal, emitiendo un fotón con energía h(ν0 + νm) [12]. Estas transiciones se ilustran en la figura 3.
N iv
el es
E ne
rg ét
ic os
M ol
ec ul
ar es
Es ta
do s
Vi rt
ua le
E =
E =
ΔE
ΔE
Fig. 3. Ilustración del origen de la dispersión Raman y Rayleigh, en- tre más ancha es la flecha más probable es que dicha transición ocu- rra. En esta ilustración E = ±νm es la diferencia de energía entre los estados energéticos 0 y 1 [12].
2. TRABAJO RELACIONADO
1. Sistema del que parte el trabajo de la tesis
El sistema óptico anterior consiste de una serie de ele- mentos ópticos diseñados para acoplar una sonda Raman comercial a una fuente de excitación externa, dicha sonda Raman contiene ya el filtro óptico para separar la señal Rayleigh de la señal Raman. La óptica original es toda de media pulgada de diámetro, a excepción de la lente asférica, la cuál tiene un diámetro de una pulgada.
En el arreglo presentado por Aldo Torre, un láser de 638 nm con una potencia de 35 mW emite su haz en dirección a un filtro variable continuo, este filtro permite modular la potencia del haz trasmitido desde 0% hasta el máximo total de la potencia del láser. Una vez modulada la intensidad del haz transmitido este se hace incidir a 45o en un divisor de haz de media pulgada con una transmisión del 50%, luego la parte reflejada del haz va hacia una lente asférica la cual enfoca el haz al límite de difracción en una muestra. La muestra es entonces excitada y los fotones dispersados (Rayleigh, Stokes y Anti-Stokes) vuelven a ser colectados por la lente. La lente colima los fotones colectados en un haz de una pulgada, la cual pasa a través del divisor de haz de media pulgada, por lo cual se pierde la señal que afuera del área del elemento de media pulgada. El haz transmitido es entonces dirigido con dos espejos de media pulgada a una lente convexa, para finalmente ser acoplado a la sonda Raman de Inphotonics, la cual filtra la señal Rayleigh dejando pasar únicamente la señal Raman (Stokes). Esta señal es transmitida por medio de fibra óptica hasta un espectrómetro Ocean Optics QE65 Pro, el cuál analiza el espectro de los fotones colectados y permite analizar la señal Raman. Este proceso se ilustra en la figura 4.
Padilla Robles Artemio Santiago 3 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
Una de las desventajas de mantener el sistema de colección por la sonda comercial es que el fabricante no permite la modificación ni brinda información detallada de la misma, por lo cual las capacidades de colección no se pueden adaptar a necesidad del experimentador. Además, al tener que usar una lente para acoplar el haz a la sonda, se agrega un factor que dificulta la alineación del sistema, puesto que la lente interna de la sonda y la lente externa que se usa para acoplarse deben de estar alineadas tanto angularmente como traslacionalmente.
Este sistema de espectroscopía Raman es básicamente un sistema de excitación modular adaptado a un sistema de colección comercial.
Láser
Filtro Continuo
Fig. 4. Ilustración del arreglo óptico del cuál parte esta tesis [5].
2. Otros ejemplos de modularidad en hardware
Existen muchos ejemplos del uso de las propiedades de mo- dularidad en sistemas de hardware, sin embargo los sistemas que hacen uso de estas propiedades no son los más comunes. Una posible explicación de esto es que el grueso de los dis- positivos en el mercado no están diseñados para poder apro- vechar las ventajas que otorga la modularidad debido a que la mayoría de los consumidores no desea adaptar el aparato que compra a condiciones diferentes de las especificadas, y en su lugar simplemente desea un aparato que cumpla fun- ciones bien establecidas por el fabricante en torno a las ne- cesidades especificas que el usuario desee satisfacer. Además, diseñar dispositivos modulares suele ser más costoso, y obte- ner redundancia en estos dispositivos generalmente significa tener que adquirir dos o más partes, lo cual también aumenta el costo. Sin embargo, existen ciertos ejemplos a destacar:
Computadoras de escritorio y servidores: Este tipo de equipo suelen contar con puertos que funcionan con protocolos bien establecidos, por los cuales se pueden implementar diferentes módulos para modificar dichos sistemas
Teléfonos inteligentes modulares: Los teléfonos inte- ligentes modulares si bien no han logrado posicionarse y dominar el mercado, han tenido ejemplos notables co- mo el Project Ara de Google, el Moto Z de Motorola, o el LG G5.
Estación espacial internacional: Debido a los grandes costos de llevar dispositivos al espacio la ISS desde su diseño ha estado pensada de manera modular, para poco a poco poderla expandir y adaptar a las misiones que puedan presentarse.
3. MÉTODOS/MODELO/PROPUESTA
Este texto se basa en las modificaciones realizadas durante mi tesis de licenciatura a un sistema de espectroscopía Raman donde se plantea un método de colección con capacida- des modulares. Además se modifican algunos los elementos ópticos poder aplicar el espectrómetro a nuevos experimentos.
Podemos dividir el sistema Raman completo en dos subsis- temas, el sistema de excitación y el sistema de colección.
El análisis sistémico se realizará en el orden en que los fotones avanzan por el sistema óptico, analizando primero el proceso de excitación de la muestra y luego el proceso de colección de los fotones emitidos. El diagrama del sistema completo se muestra en la figura 5.
1. Proceso de excitación
I Un láser emite un haz de fotones polarizados verti- calmente con λ = 638 nm.
II El haz pasa a través de un filtro continuo, para po- der regular la intensidad del haz transmitido y por lo tanto de la potencia que se hace incidir en la muestra.
III Para mejorar la polarización lineal del haz, este se trasmite a través de un polarizador lineal, en este caso se usa un cristal birrefringente.
IV El haz pasa por un juego de dos lentes para asegu- rar que esté bien colimado. En este paso es posible ampliar el tamaño del haz para reducir la región fo- cal de la lente.
V Una vez colimado este haz, se hace incidir a 45o
en un espejo dicroico, que dirige la parte reflejada hacia la muestra.
VI El haz es enfocado por una lente asférica y acromá- tica sobre la muestra a analizar
Padilla Robles Artemio Santiago 4 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
VII En la región focal la luz interacciona con la mues- tra, lo que genera dispersión y absorción de foto- nes, la parte absorbida se puede reemitir o convertir en calor.
2. Proceso de colección
I Una cantidad de fotones, proporcional al ángulo só- lido que hace la superficie de la lente asférica con respecto a la región de la muestra de donde se es- tán dispersando, son colectados por la lente asférica que los colima en un haz circular de una pulgada de diámetro. Dependiendo de la muestra, los fotones dispersados pueden tener una fracción de fotones Raman.
II El haz pasa a través del espejo dicroico, aquí la ma- yoría de los fotones de Stokes se trasmitirán apro- vechando que el espejo tiene una mayor transmi- sión para sus longitudes de onda. sin embargo, se perderá una fracción del haz por la geometría del sistema, esto se discute en la sección de eficiencia geométrica.
III Los fotones son transmitidos a través de un pola- rizador lineal para poder filtrar los fotones que se desean analizar de acuerdo a su polarización. Este paso es opcional.
IV El haz es reflejado en los espejos planos de plata para poder alinear el haz de manera precisa con el acoplador.
V Los fotones pasan a través del filtro RazorEdge que elimina la señal de Rayleigh y por la cuál, de no ser filtrada, el espectrómetro se saturaría y no se podrían distinguir los fotones Raman.
VI Posteriormente el haz es reflejado por el espejo pa- rabólico y acoplado a una fibra óptica.
VII La fibra óptica guía los fotones hasta el espectró- metro
VIII El espectrómetro, que incorpora una rejilla de di- fracción, analiza la intensidad de la luz, de acuerdo con el número de fotones que logra detectar, en un tiempo dado y en función a su longitud de onda. Después calcula el corrimiento Raman de dichos fotones.
Láser
L1
L2
P1
P2
E1
E2
LA
Muestra
FEP
FO
S
ED
FC
Fig. 5. Diagrama del funcionamiento del sistema óptico, en donde FC es el filtro continuo, L1 y L2 las lentes usadas para asegurar una buena colimación del láser, P1 y P2 son los polarizadores, ED el es- pejo dicroico, LA la lente asférica y acromática, E1 y E2 los espejos planos, F el filtro de Semrock, EP el espejo parabólico, FO la fibra óptica y S el espectrómetro.
Para poder usar los elementos ópticos de esta manera se necesitan construir módulos óptomecánicos para poder hacer que los elementos interactúen de la manera deseada.
Usando la información sobre la reflectancia y transmitancia de cada una de los componentes que conforman el sistema óptico podemos deducir la eficiencia del sistema completo en función de la longitud de onda, para este análisis es conveniente analizar las componentes del sistema en el trayecto de la colección fotónica.
La luz emitida por la muestra (M) es colectada y colimada por la lente principal (L), luego pasa por el filtro dicroico (D), es reflejada por los dos espejos planos (Ea) para alinearla a través de un filtro (F) hacia un tercer espejo (Eb), este último con perfil parabólico, que acopla la luz a una fibra óptica (O), que la lleva hacia el interior del espectrómetro de Ocean Op- tics, donde tiene que rebotar en 2 espejos (Ec) y en una rejilla de difracción (RD) antes atravesar la ventana de zafiro (V ) pa- ra llegar al el sensor (S). Notemos que los 3 espejos exteriores tienen todos las mismas características de reflectancia puesto que son del mismo material. De tal modo que la luz tiene las siguientes interacciones:
M→L→D→E2 a→F→Eb→O→Ec→RD→Ec→V→ S
Conociendo la transmitancia de cada elemento óptico por el cual pasa la luz, la reflectancia de cada uno de los elementos
Padilla Robles Artemio Santiago 5 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
donde de refleja la luz, la atenuación de la fibra óptica y la eficiencia cuántica del sensor se puede estimar la eficiencia que tiene la colección de fotones en función de su color. Sin embargo, el fabricante no indica la reflectancia de los espejos que usa ni la eficiencia de la rejilla. Por simplicidad asumiremos todas iguales a la de los espejos exteriores, i.e. E = Ea = Eb = Ec = RD.
De esta manera las interacciones se pueden aproximar a:
M→ L→ D→ E2→ F → E→ O→ E3→V → S
Estos datos se pueden conocer a través de los fabricantes de cada elemento, estando la mayoría disponible de forma estructurada en formato Valores Separados por Coma (CSV por sus siglas en ingles), sin embargo, para la eficiencia cuántica de sensor, la transmitancia de la ventana de zafiro del sensor y la atenuación (perdida de inserción) de la fibra óptica, sólo tiene disponible información no estructurada en formato gráfico, por lo cual se analizaron las gráficas con el software Engauge Digitalizer 11.3 para aproximar estos datos.
Cabe hacer notar que las interacciones de cada módulo son interacciones no lineales (hay funciones escalón, parábolas, etc.), sin embargo, debido a que los módulos están construi- dos con elementos de grado científico estas interacciones es- tán bien caracterizadas por los fabricantes. De esta manera, a pesar de tener una serie de transformaciones no lineales, se puede hacer el cálculo de la interacción neta del sistema ópti- co.
4. RESULTADOS
En base a lo expuesto anterior se montó y alineó el sistema óptico. El sistema completo final se puede ver en la figura 6.
Fig. 6. Sistema óptico con las componentes optomecánicas montadas sobre la T de aluminio.
Se realizó el cálculo de la eficiencia en términos del co- rrimiento Raman para el láser implementado (figura 7), esta última eficiencia sirve para analizar el resultado en términos de las mediciones que se pueden realizar en experimentos de espectroscopía Raman.
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Corrimiento Raman (cm -1
Eficiencia en función del corrimiento Raman
Fig. 7. Eficiencia estimada de la colección del sistema óptico en tér- minos del corrimiento Raman para el láser de 638 nm usado.
Padilla Robles Artemio Santiago 6 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
Además, se utilizó el sistema con sus capacidades de adap- tabilidad para realizar diversos experimentos, cada uno con necesidades particulares.
5. DISCUSIÓN
1. Métodos computacionales
Como en las ciencias de la complejidad, es necesario usar el uso de métodos computacionales, en este caso para calcular las eficiencias se usan las transformaciones realizadas por los elementos ópticos, una tras otra, para cada uno de los píxeles que puede registrar el sensor.
Se calculan por computadora (MATLAB) las 13 transfor- maciones para los 1024 píxeles. Para esto se hace una inter- polación de los datos reportados por los fabricantes de cada elemento a las longitudes de onda que pueden ser leídos.
2. Emergencia
El espectrómetro Raman en sí es una entidad emergente. Este sistema óptico es producto de las interacciones de sus componentes. Las componentes aisladas no son el espectró- metro Raman y poco pueden decir de este.
3. Adaptación
El plantear el sistema en forma modular hace que sea más fácil adaptarlo a necesidades particulares de experimentos a realizar.
En particular la espectroscopía Raman es una técnica que tiene muchas otras técnicas auxiliares, por lo cual elaborar un equipo así, en lugar de comprar uno comercial, permite que se puedan realizar investigaciones científicas en más ramas del conocimiento y que sea fácil cambiar de un tema de estudio a otro.
4. Robustez
El poder modificar cada módulo y sus componentes permi- ten tener más de una de cada pieza usada. Ofreciendo redun- dancia a relativo bajo costo y una manera de poder reparar el equipo en dado que alguna de sus componentes falle.
5. Lento es más rápido
Los equipos comerciales son extremadamente difíciles de modificar, por lo que a pesar de ofrecer una solución rápi- da"para poder hacer espectroscopía Raman, su falta de adap- tabilidad hace que un sistema diseñado con capacidades mo-
dulares sea más rápido desde un enfoque de desarrollo conti- nuo.
6. CONCLUSIONES
Pensar sistemas de hardware desde el punto de vista de ciencias de la complejidad tiene ventajas. Aunque este tipo de sistemas puedan considerar más rígidos que sistemas de wetware o software, siguen siendo sistemas que pueden apro- vechar dichos conceptos para hacer más claro su potencial y permitir que los equipos que diseñan este tipo de sistemas creen planes a largo plazo que contemplen las ventajas que ofrece la modularidad, la adaptabilidad, la robustez y otros de los conceptos.
En particular estos conceptos se pueden aplicar en mi tra- bajo de tesis de licenciatura, lo cual me permite profundizar en la manera que estos conceptos influyen, sus ventajas y sus limitaciones.
La utilización de estos conceptos me permitió explicar de mejor manera el trabajo que realicé, comprender y exponer de manera más clara las ventajas de integrar los conceptos de la complejidad en un ambiente reduccionista como la física. De esta forma analicé el funcionamiento del sistema en su conjunto y aporté un método de caracterización del mismo, el cual no se había aplicado antes.
Además esto sirve también para señalar posibles futuras mejoras al sistema, entre la que destaca una posible manera de aplicar múltiples láseres.
Padilla Robles Artemio Santiago 7 Introducción a las Ciencias de la Complejidad
Sistema Modular de Espectroscopía Raman
REFERENCIAS
[1] Wagner, Günter P and Pavlicev, Mihaela and Cheverud, James M. The road to modularity. Nature Reviews Genetics, 2007 [2] Ulrich, Karl. Fundamentals of Product Modularity. Springer Netherlands, 1994. [3] Wagner, Andreas. Robustness and evolvability in living systems. Princeton University Press, 2013. [4] Gershenson, Carlos and Helbing, Dirk. When slower is faster. Wiley Online Library, 2015. [5] Torre, Aldo. Desarrollo de un sistema óptico para amplificación Raman por sonda local. Universidad Nacional Autónoma de México,
2017. [6] Planck, Max. On the law of distribution of energy in the normal spectrum. Annalen der physik, 1901. [7] Pedrotti, Frank L and Pedrotti, Leno M and Pedrotti, Leno S. Introduction to optics. Addison-Wesley, 2006. [8] Lewis, Gilbert N. The conservation of photons. Nature Publishing Group, 1926. [9] Ghai, CL. A textbook of practical physiology. JP Medical Ltd, 2012.
[10] Long, Derek A. The raman effect. Wiley, 2002. [11] Ferraro, J.R. and Nakamoto, K. Introductory Raman Spectroscopy. Elsevier Science, 2002. [12] Skoog, Douglas A. and Holler, F. James and Crouch, Stanley R. Principles of instrumental analysis. Cengage learning, 2017.
