TRABAJO FIN DE MASTER - Repositorio Digital...

Autor: Pedro Fernando Escudero VillaTutor: Horacio Lamela Rivera

TRABAJO FIN DE MASTER

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

Diseño e Implementación de un Sistema de

Espectroscopía Optoacústica basado en Diodos Laser a

dos Longitudes de Onda(850 y 905nm) y un Láser de

Nd:YAG a (532 y 1064nm). Aplicación al Estudio de

Nanoestructuras de Carbono y Gadolinio

Master en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática

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1. Introducción

2. Objetivos

3. Fase Teórica

4. Fase Experimental

S1 -> Nd:YAG + GdNPS2 -> Golay Cod + 2DL + DWCNTS3 -> Golay Cod + Nd:YAG + DWCNT

5. Resultados y Evaluación

6. Conclusión y Trabajo Futuro

Contenido

3

Introducción

Efecto optoacústico reportado por Alexander G. Bell hace algo más de unsiglo. Aplicaciones: Imagen biomédica, Sistema de espectroscopia

Como parte de GOTL-UC3M, Vincent Cunningham ha presentadorecientemente en su tesis doctoral, un sistema de espectroscopia

optoacústica (Sistema de Laser sintonizable Nd:YAG + OPO), para lacaracterización espectral de nanopartículas de oro en medios turbios(410nm a 2400 nm)

Diseño e implementación de un sistema de espectroscopia optoacústica

- Basado en diodos laser de alta potencia de salida, y un laser de Nd:YAG- Análisis espectral de absorción óptica de nanoestructuras de carbono y

gadolinio

- Codificación de pulsos ópticos

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Objetivos

Realizar un estudio del estado del arte (Nanopartículas, nanoestructuras,

técnica optoacústica, codificación digital)

Caracterización GdNP usando un sistema optoacústico, basado en un laser

Nd:YAG a 532nm

Diseñar e implementar un sistema de espectroscopia basado en diodos laser

de alta potencia a (850 y 905nm) para caracterizar nanoestructuras de

carbono, como un sistema alternativo a al sistema de espectroscopia basado

en un laser sintonizable (Nd:YAG + OPO).

5

Fase Teórica

6

Fase Teórica

Principios Ópticos

Absorción Dispersión

Ley de Beer Lamber

��

µt = µa + µs

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Fase Teórica

Generación Optoacústica

Onda de

Presión

Absorbente

Tiempot2t1

Presión

Pulsos Laser

Confinamiento

Térmico

Para la generación de señales optoacústicas en material absorbente, es necesario asumir las siguientes condiciones:

1. Confinamiento térmico

2. Absorción uniforme

3. Confinamiento de presión

4. Las propiedades acústicas del materialson idénticas a las del medio circundante

D. Fernando HerrazCNIC: Centro nacional de investigaciones cardiovasculares 8

Fase Teórica

Nanopartículas

NaGdFNaLaF

NaYF

Materiales de tamaño nanométrico han sido ampliamente usados comoelemento de contraste en técnicas de imagen biomédica.

Nanocristales y materiales orgánicos dopados con lantánidos La/Gd, han sidopropuestos como particúlas superparamagnéticas orientadas al uso comoagentes de contraste en imagen por RM

SDBS : Dodecil benceno sulfonato de sodio 9

Fase Teórica

Nanoestructuras de carbono

Los nanotubos de carbono (carbón nanotube CNT), son una forma alotrópica del carbono. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrolladas sobre sí misma

CNT en Imágenes: rayos X, MRI, TAC, PET, OPT, MPA.

Nanotubos de pared doble (DWCNT)

Composición:

(1mg DWNT, 50mg SDBS,

10ml D2)

Departamento de Química, Universidad de Shinshu - JapónProf. Mauricio Torres

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Fase Teórica

Codificación Optoacústica: Códigos Golay

Codificación digital usos:

Sistemas de comunicación: Garantizar la transmisión de datosBiomedicina: Imágenes por Ultrasonido

Ventajas:

- Eliminación de ambigüedades de ecos producidos por pulsos subsecuentes.- Mejora de relación de señal ruido (SNR)- Permite saber cuándo se han perdido señales en el medio.- Facilita la detección y clasificación de pulsos optoacústicos al usar varias

fuentes de luz láser a diferentes longitudes de onda.

Desventajas:

- Limitación a identificar señales mediante secuencias unipolares, ósea dos códigos diferentes “0” y “1”.

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Fase Experimental

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Fase Experimental

Sistema Optoacústico 1: Laser de Nd:YAG, (GdNP)

Longitud de Onda 532nm

Volumen 0,0157 - 0,0208 mm3

Duración de Pulso <10 ns

Energía Pulso 25 µJ promedio

Frecuencia 100 Hz

Amplificación 40dBa) NaGdF4, b) NaLaF4, c) NaYF4

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Sistema Optoacústico 1: Implementación

Fase Experimental

14

Fase Experimental

Sistema Optoacústico 1: Caracterización

a) NaYF4 b) NaGdF4c) NaLaF4

15

0 1 2 3 4 5 6 7 8-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Optoacoustic Signal / us

Am

pl /

mV

NaYF

NaGdF

NaLaF

�� −�

��

�

��

� � ��

Fase Experimental

�� ∼�. �!cm-1

�� ". �#cm-1

�� . #�cm-1

a) NaYF4

b) NaGdF4

c) NaLaF4

Sistema Optoacústico 1: Cuantificación de ��

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Fase Experimental

Sistema Optoacústico 2: Diodos Laser, (DWCNT)

Longitud de Onda 850, 905nm

Volumen ∼ 0,0157 mm3

Duración de Pulso 100 ns

Energía Pulso 12-18 µJ

Frecuencia 1 KHz

Amplificación 40dB

Composición: 1mg DWNT, 50mg SDBS, 10ml D2O

A B

66 ms

5 10 15 20 5 10 15 20

10 ms23 ms

Codificación Golay

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Fase Experimental


18

Fase Experimental


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6-5

0

5

10


Am

pl /

mV

DWCNT - A

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10


Am

pl /

mV

DWCNT - B

�� $. �%$!cm-1

�� $. �"!%cm-1

�� −�

��

�

��

� � ��

Laser A

850nm

Laser B

1064nm

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Fase Experimental

Sistema Optoacústico 3: Laser de Nd:YAG, (DWCNT)

A B

66 ms

5 10 15 20 5 10 15 20

10 ms23 ms

Longitud de Onda 532, 1064 nm

Volumen ∼ 0,0157 mm3

Duración de Pulso < 10 ns

Energía Pulso 25() promedio

Frecuencia 470 Hz (Promedio)

Amplificación 40dB

Composición: 1mg DWNT, 50mg SDBS, 10ml D2O

Codificación Golay

20


Fase Experimental

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Fase Experimental


2.2834 2.2836 2.2838 2.284 2.2842 2.2844 2.2846 2.2848

x 104

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Optoacoustic Signal / ms

Am

pl /

V

1064nm

32 34 36 38 40 42 44

180

190

200

210

220

230

Tiempo / us

Am

pl /

mV

532nm

�� $. #*#%cm-1

�� %. $+$%cm-1

532 nm

1064 nm

� � ��

�� −�

��

�

��

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Resultados y Evaluación

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SOp 1: GdNP

Nivel de Absorción de DWCNT a 4

longitudes de onda

Longitud de

onda (nm)

Coeff. de

Absorción (cm-1)

532 6.5857

850 6,0769

905 6,3497

1064 7,6267

550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 105010

0.76

100.78

100.8

100.82

100.84

100.86

100.88

Longitud de Onda (nm)

Abs

orci

ón / c

m- 1

DWCNT

- Bajo nivel de absorción- Baja energía por pulsos de diodos laser para generar señales optoacústicas- A la espera de información especifica por parte del CNIC (Concentración,

Composición química)

SOp 2, 3: DWCNT

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Ventajas (S2, S3)

Desventajas (S2, S3)

Sistema más compacto con similares características al sistema de láser sintonizable

(Nd:YAG + OPO)

Disponibilidad de varias longitudes de onda en un mismo sistema.

Disposición geométrica de fuentes laser en un mismo sistema

Permite la selectividad de detección

Menos costoso que usar un sistema de láser de Nd:YAG

Uso de codificación en cada diodo laser (1 código por longitud de onda)

Menor energía por pulso de salida, en comparación con un de láser sintonizable (Nd:YAG +

OPO) (45mJ a 20 µJ)

Mayor cuidado en el diseño e implementación del sistema basado en diodos laser

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Tabla Comparativa de fuentes de luz láser

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Conclusión y

Trabajo Futuro

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Conclusión y Trabajo Futuro

Conclusiones

Bases teóricas e instrumentales para la caracterización espectral denanopartículas y nanoestructuras por medio de la técnica optoacústica

GdNP, presentan mayor o menor absorción de acuerdo a su componente químicode dopaje

Viabilidad de orientar el sistema de espectroscopia optoacústica a aplicacionesbiomédicas al poder caracterizar un material biológico.

Esta tesis de Máster se ha planteado como trabajo inicial del Proyecto OILTEBIA

(Optical Imaging and Laser Techniques for Biomedical Applications)

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Conclusión y Trabajo Futuro

Trabajo Futuro

Caracterización optoacústica de Nanopartículas basadas en

componentes de Gadolinio, Nanoestructuras de Carbono

Caracterización óptica - optoacústica en un rango de longitud de onda mas amplio

Proyectar como agentes de contraste en aplicaciones bimodales de imagen biomédica (OPT y RMI)

Sistema optoacústico basado en diodos laser de alta potencia

Implementación de un sistema de espectroscopia optoacústica, en rango mayor de longitudes de onda.

Muchas gracias por su atención

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