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